Un « laboratoire autonome » découvre les meilleurs points quantiques pour les dispositifs optoélectroniques et photoniques – Physics World

Un nouveau système de laboratoire autonome a permis aux chercheurs d'identifier les matériaux les plus performants pour certaines applications en quelques heures ou jours, par rapport aux années nécessaires avec les techniques conventionnelles de chimie humide. Le système, baptisé SmartDope et conçu par des chercheurs américains, utilise également l’apprentissage automatique pour analyser les résultats des expériences. Selon ses créateurs, cela pourrait accélérer le processus de découverte et de développement de matériaux avancés pour les dispositifs optoélectroniques et photoniques.

Lors du développement de SmartDope, une équipe dirigée par Université d'État de Caroline du Nord Ingénieur chimiste Milad Abolhasani concentré sur un défi spécifique : comment synthétiser les meilleurs points quantiques dopés de leur catégorie. Ces nanocristaux semi-conducteurs contiennent des impuretés délibérément introduites pour modifier les propriétés optiques et physico-chimiques des points, et ils sont très prometteurs pour les dispositifs photovoltaïques de nouvelle génération. Les points quantiques dopés pourraient, par exemple, améliorer l’efficacité des cellules solaires s’ils étaient conçus pour convertir l’abondante lumière UV du Soleil en longueurs d’onde qui seraient plus efficacement absorbées par ces cellules, améliorant ainsi la conversion d’énergie de l’unité.

Le problème est qu’il est difficile de synthétiser des points quantiques avec la très haute qualité requise pour de telles applications. Identifier la meilleure « recette » pour y parvenir en utilisant des techniques conventionnelles pourrait prendre 10 ans d’expériences ciblées en laboratoire, explique Abolhasani. « C'est la raison pour laquelle nous avons développé notre laboratoire autonome – afin que nous puissions le faire en quelques heures ou quelques jours seulement », explique-t-il.

Un système en boucle fermée

La première étape lors de l’utilisation de SmartDope consiste à fournir au système des produits chimiques précurseurs et à lui donner un objectif. Un exemple pourrait être de trouver les points quantiques de pérovskite dopés ayant le rendement quantique le plus élevé, c'est-à-dire celui qui produit le plus grand nombre de photons émis par photon absorbé. Le système exécutera ensuite les expériences de manière autonome dans un réacteur à flux continu, en manipulant des variables telles que les quantités de précurseurs, les températures de réaction et les temps de réaction. Il caractérise également les propriétés optiques des points quantiques produits automatiquement par chaque expérience, lorsque les points quantiques quittent le réacteur à flux.

Le système utilise ensuite l’apprentissage automatique pour analyser les résultats. Ce faisant, il met à jour sa compréhension de la chimie de synthèse et sélectionne l'expérience à exécuter ensuite pour optimiser les propriétés optiques des points quantiques. Cette opération dite en boucle fermée permet à SmartDope d’identifier rapidement le meilleur point quantique possible.

Dans le travail décrit par Abolhasani et ses collègues dans Matériaux énergétiques avancés, ils ont étudié la meilleure façon de fabriquer des points quantiques de pérovskite aux halogénures de plomb dopés aux cations métalliques. Plus précisément, ils ont analysé le dopage multi-cationique du CsPbCl₃ points quantiques en utilisant un processus de synthèse à haute température « one-pot ».

Grâce à SmartDope, les chercheurs ont pu identifier, en une seule journée d'expériences autonomes, la meilleure recette pour fabriquer des points quantiques dopés qui produisaient un rendement quantique de photoluminescence de 158 %, c'est-à-dire que les points quantiques émettaient en moyenne 1.58. photons pour chaque photon absorbé. Le précédent record dans cette classe de matériaux est de 130 %.

« Les implications de ce travail sont profondes », explique Abolhasani. Monde de la physique, « notamment pour les énergies renouvelables. La capacité de SmartDope à identifier et à optimiser rapidement des matériaux fonctionnels avancés pour des applications telles que les dispositifs photovoltaïques de nouvelle génération ouvre de nouvelles possibilités pour améliorer l'efficacité des cellules solaires, par exemple.

Les chercheurs perfectionnent désormais leur système, dans le but « d’explorer de nouveaux matériaux et d’étendre ses capacités physiques et numériques pour relever un plus large éventail de défis dans les sciences chimiques et des matériaux », explique Albohasani. « Nous envisageons également activement une collaboration avec des partenaires industriels pour mettre en œuvre SmartDope dans des contextes réels », révèle-t-il. « Notre objectif est de continuer à tirer parti de la puissance des laboratoires autonomes pour favoriser des progrès rapides dans les sciences chimiques et des matériaux. »

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