Het kan jaren van gericht laboratoriumwerk vergen om te bepalen hoe materialen van de hoogste kwaliteit kunnen worden gemaakt voor gebruik in elektronische en fotonische apparaten. Onderzoekers hebben nu een autonoom systeem ontwikkeld dat in uren of dagen kan identificeren hoe 'best-in-class' materialen voor specifieke toepassingen kunnen worden gesynthetiseerd.

Het nieuwe systeem, SmartDope genaamd, is ontwikkeld om een ​​al lang bestaand probleem aan te pakken met betrekking tot het verbeteren van de eigenschappen van materialen die perovskiet-kwantumdots worden genoemd via 'doping'.

"Deze gedoteerde kwantumdots zijn halfgeleider nanokristallen waaraan je op een gerichte manier specifieke onzuiverheden hebt toegevoegd, waardoor hun optische en fysisch-chemische eigenschappen veranderen", legt Milad Abolhasani uit, universitair hoofddocent chemische technologie aan de North Carolina State University en corresponderend auteur van het artikel. "Smart Dope:A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots", open access gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Energy Materials .

"Deze specifieke kwantumdots zijn van belang omdat ze veelbelovend zijn voor fotovoltaïsche apparaten van de volgende generatie en andere fotonische en opto-elektronische apparaten", zegt Abolhasani. "Ze zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, omdat ze golflengten van UV-licht kunnen absorberen die zonnecellen niet efficiënt absorberen en deze kunnen omzetten in golflengten van licht die zonnecellen zeer efficiënt in elektriciteit kunnen omzetten. "

Hoewel deze materialen veelbelovend zijn, was er echter een uitdaging bij het ontwikkelen van manieren om kwantumdots van de hoogst mogelijke kwaliteit te synthetiseren om hun efficiëntie bij het omzetten van UV-licht in de gewenste golflengten van licht te maximaliseren.

"We hadden een simpele vraag", zegt Abolhasani. "Wat is de best mogelijke gedoteerde quantum dot voor deze toepassing? Maar het beantwoorden van die vraag met behulp van conventionele technieken kan tien jaar duren. Daarom hebben we een autonoom laboratorium ontwikkeld waarmee we die vraag binnen enkele uren kunnen beantwoorden."

Het SmartDope-systeem is een ‘zelfrijdend’ laboratorium. Om te beginnen vertellen de onderzoekers SmartDope met welke precursorchemicaliën ze moeten werken en geven ze deze een bepaald doel. Het doel van deze studie was om de gedoteerde perovskiet-kwantumdot te vinden met de hoogste ‘kwantumopbrengst’, oftewel de hoogste verhouding fotonen die de kwantumdot uitzendt (als infrarood of zichtbare golflengten van licht) ten opzichte van de fotonen die hij absorbeert (via UV-licht). ).

Zodra SmartDope die eerste informatie heeft ontvangen, begint hij autonoom experimenten uit te voeren. De experimenten worden uitgevoerd in een continue stroomreactor die extreem kleine hoeveelheden chemicaliën gebruikt om quantum dot-synthese-experimenten snel uit te voeren terwijl de precursors door het systeem stromen en met elkaar reageren.

Voor elk experiment manipuleert SmartDope een reeks variabelen, zoals:de relatieve hoeveelheden van elk precursormateriaal; de temperatuur waarbij deze voorlopers worden gemengd; en de hoeveelheid reactietijd die wordt gegeven wanneer nieuwe voorlopers worden toegevoegd. SmartDope karakteriseert ook de optische eigenschappen van de kwantumdots die door elk experiment automatisch worden geproduceerd wanneer ze de stroomreactor verlaten.

"Terwijl SmartDope gegevens verzamelt over elk van zijn experimenten, gebruikt het machine learning om zijn kennis van de gedoteerde quantum dot-synthesechemie bij te werken en te informeren welk experiment het volgende moet worden uitgevoerd, met als doel de best mogelijke quantum dot te maken", zegt Abolhasani. "Het proces van geautomatiseerde quantum dot-synthese in een flowreactor, karakterisering, het updaten van het machine learning-model en de selectie van volgende experimenten wordt closed-loop-operatie genoemd."

Hoe goed werkt SmartDope?

‘Het vorige record voor kwantumopbrengst in deze klasse van gedoteerde kwantumdots was 130%, wat betekent dat de kwantumdot 1,3 fotonen uitzond voor elk foton dat hij absorbeerde’, zegt Abolhasani. "Binnen één dag nadat we SmartDope hadden uitgevoerd, identificeerden we een route voor het synthetiseren van gedoteerde kwantumdots die een kwantumopbrengst van 158% opleverden. Dat is een aanzienlijke vooruitgang, die jaren zou duren om te vinden met behulp van traditionele experimentele technieken. We hebben een best-in-class gevonden oplossing voor dit materiaal in één dag.

"Dit werk toont de kracht van zelfrijdende laboratoria die stroomreactoren gebruiken om snel oplossingen te vinden in de chemische en materiaalwetenschappen", zegt Abolhasani. "We werken momenteel aan een aantal opwindende manieren om dit werk vooruit te helpen en staan ​​ook open voor samenwerking met industriële partners."

Meer informatie: Fazel Bateni et al, Smart Dope:een zelfrijdend vloeistoflaboratorium voor versnelde ontwikkeling van gedoteerde perovskiet-kwantumdots, Geavanceerde energiematerialen (2023). DOI:10.1002/aenm.202302303

Journaalinformatie: Geavanceerde energiematerialen

Aangeboden door North Carolina State University