Autonomt laboratorium opdager klassens bedste kvanteprikker på timer. Det ville have taget mennesker år

Det kan tage år med fokuseret laboratoriearbejde at bestemme, hvordan man laver materialer af højeste kvalitet til brug i elektroniske og fotoniske enheder. Forskere har nu udviklet et autonomt system, der kan identificere, hvordan man syntetiserer "best-in-class" materialer til specifikke applikationer på timer eller dage.

Det nye system, kaldet SmartDope, blev udviklet til at løse en langvarig udfordring med hensyn til at forbedre egenskaberne af materialer kaldet perovskit kvanteprikker via "doping."

"Disse doterede kvanteprikker er halvledernanokrystaller, som du har introduceret specifikke urenheder til på en målrettet måde, hvilket ændrer deres optiske og fysisk-kemiske egenskaber," forklarer Milad Abolhasani, lektor i kemiteknik ved North Carolina State University og tilsvarende forfatter til papiret. "Smart Dope:A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots," offentliggjort open access i tidsskriftet Advanced Energy Materials .

"Disse særlige kvanteprikker er af interesse, fordi de lover næste generation af fotovoltaiske enheder og andre fotoniske og optoelektroniske enheder," siger Abolhasani. "For eksempel kunne de bruges til at forbedre effektiviteten af ​​solceller, fordi de kan absorbere bølgelængder af UV-lys, som solceller ikke absorberer effektivt, og konvertere dem til bølgelængder af lys, som solceller er meget effektive til at omdanne til elektricitet. "

Men selvom disse materialer er meget lovende, har der været en udfordring i at udvikle måder at syntetisere kvanteprikker af den højest mulige kvalitet for at maksimere deres effektivitet til at konvertere UV-lys til de ønskede bølgelængder af lys.

"Vi havde et simpelt spørgsmål," siger Abolhasani. "Hvad er den bedst mulige dopede kvanteprik til denne applikation? Men at besvare det spørgsmål ved hjælp af konventionelle teknikker kan tage 10 år. Så vi udviklede et autonomt laboratorium, der giver os mulighed for at besvare det spørgsmål på timer."

SmartDope-systemet er et "selvkørende" laboratorium. Til at begynde med fortæller forskerne SmartDope, hvilke prækursorkemikalier der skal arbejdes med og giver det et udpeget mål. Målet i denne undersøgelse var at finde den doterede perovskit-kvanteprik med det højeste "kvanteudbytte" eller det højeste forhold af fotoner, som kvanteprikken udsender (som infrarøde eller synlige bølgelængder af lys) i forhold til de fotoner, den absorberer (via UV-lys) ).

Når den har modtaget den indledende information, begynder SmartDope at køre eksperimenter autonomt. Eksperimenterne udføres i en kontinuerlig strømningsreaktor, der bruger ekstremt små mængder kemikalier til at udføre kvantepriksynteseeksperimenter hurtigt, mens forstadierne strømmer gennem systemet og reagerer med hinanden.

For hvert eksperiment manipulerer SmartDope en række variabler, såsom:de relative mængder af hvert prækursormateriale; den temperatur, ved hvilken det blander disse prækursorer; og mængden af ​​reaktionstid givet, hver gang nye prækursorer tilsættes. SmartDope karakteriserer også de optiske egenskaber af kvanteprikkerne produceret af hvert eksperiment automatisk, når de forlader flowreaktoren.

"Da SmartDope indsamler data om hvert af dets eksperimenter, bruger den maskinlæring til at opdatere sin forståelse af den dopede kvantepriksyntesekemi og informere om, hvilket eksperiment der skal køres næste gang, med det mål at gøre den bedst mulige kvanteprik," siger Abolhasani. "Processen med automatiseret kvantepriksyntese i en flowreaktor, karakterisering, opdatering af maskinlæringsmodellen og næste eksperimentvalg kaldes lukket sløjfedrift."

Så hvor godt virker SmartDope?

"Den tidligere rekord for kvanteudbytte i denne klasse af dopede kvanteprikker var 130% - hvilket betyder, at kvanteprikken udsendte 1,3 fotoner for hver foton, den absorberede," siger Abolhasani. "Inden for en dag efter at have kørt SmartDope, identificerede vi en rute til at syntetisere dopede kvanteprikker, der producerede et kvanteudbytte på 158%. Det er et betydeligt fremskridt, som det ville tage år at finde ved hjælp af traditionelle eksperimentelle teknikker. Vi fandt en klassens bedste løsning til dette materiale på én dag.

"Dette arbejde viser kraften i selvkørende laboratorier, der bruger flowreaktorer til hurtigt at finde løsninger inden for kemi- og materialevidenskab," siger Abolhasani. "Vi arbejder i øjeblikket på nogle spændende måder at flytte dette arbejde fremad og er også åbne for at arbejde med industripartnere."

Flere oplysninger: Fazel Bateni et al, Smart Dope:A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots, Advanced Energy Materials (2023). DOI:10.1002/aenm.202302303

Journaloplysninger: Avancerede energimaterialer

Leveret af North Carolina State University