'Autonomt laboratorium' afdækker de bedste kvanteprikker til optoelektroniske og fotoniske enheder - Physics World

'Autonomt laboratorium' afdækker de bedste kvanteprikker til optoelektroniske og fotoniske enheder - Physics World

Tidsstempel: 10. januar 2024 kl. 9
Kildeknude: 3055835


Kunstnerens billede, der viser en humanoid robot, der står ved en laboratoriebænk og manipulerer rørværk oplyst af lyserødt og gult lys
Lukning af sløjfen: Et autonomt system (vist her i sin konceptuelle form) kan identificere, hvordan man syntetiserer "best-in-class" materialer til specifikke applikationer i timer eller dage. (Med høflighed: Milad Abolhasani, NC State University)

Et nyt autonomt laboratoriesystem har gjort det muligt for forskere at identificere de højest ydende materialer til bestemte applikationer i løbet af få timer eller dage sammenlignet med år ved brug af konventionelle vådkemiteknikker. Systemet, døbt SmartDope og udviklet af forskere i USA, bruger også maskinlæring til at analysere resultaterne af eksperimenter. Ifølge dets skabere kunne det accelerere processen med at opdage og udvikle avancerede materialer til optoelektronik og fotonikenheder.

I udviklingen af ​​SmartDope, et team ledet af North Carolina State University kemisk ingeniør Milad Abolhasani fokuseret på en specifik udfordring: hvordan man syntetiserer de bedste dopede kvanteprikker i deres klasse. Disse halvleder nanokrystaller indeholder urenheder, der bevidst er blevet introduceret for at modificere prikkernes optiske og fysisk-kemiske egenskaber, og de viser meget lovende for næste generation af fotovoltaiske enheder. Doterede kvanteprikker kunne for eksempel forbedre effektiviteten af ​​solceller, hvis de blev konstrueret til at omdanne solens rigelige UV-lys til bølgelængder, der absorberes mere effektivt af disse celler, hvilket øger enhedens energiomdannelse.

Problemet er, at det er udfordrende at syntetisere kvanteprikker med den meget høje kvalitet, der kræves til sådanne applikationer. At identificere den bedste "opskrift" til at gøre det ved hjælp af konventionelle teknikker kunne tage 10 år med fokuserede laboratorieeksperimenter, forklarer Abolhasani. "Dette er grunden til, at vi udviklede vores autonome laboratorium - så vi kunne gøre dette på kun timer eller dage," siger han.

Et lukket sløjfesystem

Det første trin, når du bruger SmartDope, er at forsyne systemet med prækursorkemikalier og give det et mål. Et eksempel kan være at finde de doterede perovskit-kvanteprikker med det højeste kvanteudbytte – det vil sige den, der producerer det største antal udsendte fotoner pr. absorberet foton. Systemet vil derefter køre eksperimenterne autonomt i en reaktor med kontinuerlig strømning, og manipulere variabler såsom mængder af forstadier, reaktionstemperaturer og reaktionstider. Det karakteriserer også de optiske egenskaber af kvanteprikkerne produceret af hvert eksperiment automatisk, når kvanteprikkerne forlader flowreaktoren.

Systemet bruger derefter maskinlæring til at analysere resultaterne. I processen opdaterer den sin forståelse af syntesekemien og vælger, hvilket eksperiment der skal køres ved siden af ​​for at optimere kvanteprikkernes optiske egenskaber. Denne såkaldte lukkede sløjfe-operation gør det muligt for SmartDope hurtigt at identificere den bedst mulige kvanteprik.

I værket, som Abolhasani og kolleger beskriver i Avancerede energimaterialer, de undersøgte den bedste måde at lave metalkation-doterede blyhalogenid perovskit kvanteprikker. Mere specifikt analyserede de multi-kation-dopingen af ​​CsPbCl3 kvanteprikker ved hjælp af en "one-pot" højtemperatursynteseproces.

Takket være SmartDope var forskerne i stand til at identificere den bedste opskrift på at lave doterede kvanteprikker, der producerede et fotoluminescenskvanteudbytte på 158 % - det vil sige, kvanteprikkerne udsendte et gennemsnit på 1.58 fotoner for hver foton de absorberede. Den tidligere rekord i denne klasse af materialer er 130%.

"Konsekvenserne for dette arbejde er dybtgående," fortæller Abolhasani Fysik verden, "især for vedvarende energi. SmartDopes evne til hurtigt at identificere og optimere avancerede funktionelle materialer til applikationer såsom næste generation af solceller åbner nye muligheder for at forbedre effektiviteten af ​​solceller, for eksempel."

Forskerne forfiner nu deres system yderligere med det formål at "udforske nye materialer og udvide dets fysiske og digitale muligheder for at løse en bredere række af udfordringer inden for kemi- og materialevidenskab", siger Albohasani. "Vi overvejer også aktivt samarbejde med industripartnere for at implementere SmartDope i den virkelige verden," afslører han. "Vores mål er at fortsætte med at udnytte kraften i autonome laboratorier til at drive hurtige fremskridt inden for kemi- og materialevidenskab."

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden