„Autonomes Labor“ fördert die besten Quantenpunkte für optoelektronische und photonische Geräte zutage – Physics World

Ein neues autonomes Laborsystem hat es Forschern ermöglicht, die leistungsstärksten Materialien für bestimmte Anwendungen innerhalb von Stunden oder Tagen zu identifizieren, im Vergleich zu Jahren mit herkömmlichen nasschemischen Techniken. Das von Forschern in den USA entwickelte System mit dem Namen SmartDope nutzt auch maschinelles Lernen, um die Ergebnisse von Experimenten zu analysieren. Laut seinen Entwicklern könnte es den Prozess der Entdeckung und Entwicklung fortschrittlicher Materialien für optoelektronische und photonische Geräte beschleunigen.

Bei der Entwicklung von SmartDope arbeitete ein Team unter der Leitung von North Carolina State University Chemieingenieur Milad Abolhasani konzentrierten sich auf eine bestimmte Herausforderung: die Synthese der besten dotierten Quantenpunkte ihrer Klasse. Diese Halbleiter-Nanokristalle enthalten Verunreinigungen, die absichtlich eingeführt wurden, um die optischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften der Punkte zu verändern, und sie sind vielversprechend für Photovoltaikgeräte der nächsten Generation. Dotierte Quantenpunkte könnten beispielsweise die Effizienz von Solarzellen verbessern, wenn sie so konstruiert wären, dass sie das reichlich vorhandene UV-Licht der Sonne in Wellenlängen umwandeln, die von diesen Zellen effizienter absorbiert werden, wodurch die Energieumwandlung der Einheit verbessert wird.

Das Problem besteht darin, dass es schwierig ist, Quantenpunkte mit der für solche Anwendungen erforderlichen sehr hohen Qualität zu synthetisieren. Um das beste „Rezept“ hierfür mithilfe herkömmlicher Techniken zu finden, könnten zehn Jahre gezielter Laborexperimente erforderlich sein, erklärt Abolhasani. „Aus diesem Grund haben wir unser autonomes Labor entwickelt – damit wir dies in nur wenigen Stunden oder Tagen erledigen können“, sagt er.

Ein geschlossenes System

Der erste Schritt bei der Verwendung von SmartDope besteht darin, das System mit Vorläuferchemikalien zu versorgen und ihm ein Ziel zu geben. Ein Beispiel könnte darin bestehen, die dotierten Perowskit-Quantenpunkte mit der höchsten Quantenausbeute zu finden – also diejenigen, die pro absorbiertem Photon die größte Anzahl emittierter Photonen erzeugen. Das System führt die Experimente dann autonom in einem Durchflussreaktor durch und manipuliert dabei Variablen wie Vorläufermengen, Reaktionstemperaturen und Reaktionszeiten. Es charakterisiert auch automatisch die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte, die bei jedem Experiment erzeugt werden, wenn die Quantenpunkte den Durchflussreaktor verlassen.

Anschließend nutzt das System maschinelles Lernen, um die Ergebnisse zu analysieren. Dabei aktualisiert es sein Verständnis der Synthesechemie und wählt aus, welches Experiment als nächstes durchgeführt werden soll, um die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte zu optimieren. Dieser sogenannte Closed-Loop-Betrieb ermöglicht es SmartDope, schnell den bestmöglichen Quantenpunkt zu identifizieren.

In der Arbeit, die Abolhasani und Kollegen in beschreiben Fortschrittliche Energiematerialien, Sie untersuchten den besten Weg, mit Metallkationen dotierte Bleihalogenid-Perowskit-Quantenpunkte herzustellen. Genauer gesagt analysierten sie die Mehrfachkationendotierung von CsPbCl₃ Quantenpunkte mithilfe eines „Eintopf“-Hochtemperatur-Syntheseverfahrens.

Dank SmartDope konnten die Forscher in nur einem Tag der autonomen Durchführung ihrer Experimente das beste Rezept für die Herstellung dotierter Quantenpunkte identifizieren, die eine Photolumineszenz-Quantenausbeute von 158 % erzeugten – das heißt, die Quantenpunkte emittierten durchschnittlich 1.58 Photonen für jedes Photon, das sie absorbiert haben. Der bisherige Rekord in dieser Materialklasse liegt bei 130 %.

„Die Implikationen für diese Arbeit sind tiefgreifend“, sagt Abolhasani Physik-Welt, „insbesondere für erneuerbare Energien.“ Die Fähigkeit von SmartDope, fortschrittliche Funktionsmaterialien für Anwendungen wie Photovoltaikgeräte der nächsten Generation schnell zu identifizieren und zu optimieren, eröffnet neue Möglichkeiten, beispielsweise die Effizienz von Solarzellen zu verbessern.“

Die Forscher verfeinern ihr System nun weiter mit dem Ziel, „neue Materialien zu erforschen und ihre physikalischen und digitalen Fähigkeiten zu erweitern, um ein breiteres Spektrum von Herausforderungen in den Chemie- und Materialwissenschaften zu bewältigen“, sagt Albohasani. „Wir erwägen auch aktiv die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um SmartDope in realen Umgebungen zu implementieren“, verrät er. „Unser Ziel ist es, die Leistungsfähigkeit autonomer Labore weiterhin zu nutzen, um schnelle Fortschritte in den Chemie- und Materialwissenschaften voranzutreiben.“

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/autonomous-laboratory-unearths-the-best-quantum-dots-for-optoelectronic-and-photonic-devices/