‘Autonoom laboratorium’ graaft de beste kwantumdots op voor opto-elektronische en fotonische apparaten – Physics World

Een nieuw autonoom laboratoriumsysteem heeft onderzoekers in staat gesteld om binnen enkele uren of dagen de best presterende materialen voor bepaalde toepassingen te identificeren, vergeleken met jaren met behulp van conventionele natchemische technieken. Het systeem, genaamd SmartDope en bedacht door onderzoekers in de VS, maakt ook gebruik van machine learning om de resultaten van experimenten te analyseren. Volgens de makers zou het het proces van het ontdekken en ontwikkelen van geavanceerde materialen voor opto-elektronica en fotonica-apparaten kunnen versnellen.

Bij de ontwikkeling van SmartDope heeft een team onder leiding van North Carolina State University chemisch ingenieur Milad Abolhasani gericht op een specifieke uitdaging: hoe de beste gedoteerde kwantumdots in hun klasse kunnen worden gesynthetiseerd. Deze halfgeleider nanokristallen bevatten onzuiverheden die opzettelijk zijn geïntroduceerd om de optische en fysisch-chemische eigenschappen van de stippen te wijzigen, en ze zijn veelbelovend voor de volgende generatie fotovoltaïsche apparaten. Gedoteerde kwantumdots zouden bijvoorbeeld de efficiëntie van zonnecellen kunnen verbeteren als ze ontworpen zouden worden om het overvloedige UV-licht van de zon om te zetten in golflengten die efficiënter door deze cellen worden geabsorbeerd, waardoor de energieconversie van de eenheid wordt verbeterd.

Het probleem is dat het een uitdaging is om kwantumdots te synthetiseren met de zeer hoge kwaliteit die voor dergelijke toepassingen vereist is. Het identificeren van het beste ‘recept’ hiervoor met behulp van conventionele technieken zou tien jaar van gerichte laboratoriumexperimenten kunnen vergen, legt Abolhasani uit. “Dit is de reden waarom we ons autonome laboratorium hebben ontwikkeld, zodat we dit binnen enkele uren of dagen konden doen”, zegt hij.

Een gesloten systeem

De eerste stap bij het gebruik van SmartDope is om het systeem te voorzien van precursorchemicaliën en het een doel te geven. Een voorbeeld zou kunnen zijn het vinden van de gedoteerde perovskiet-kwantumdots met de hoogste kwantumopbrengst, dat wil zeggen degene die het grootste aantal uitgezonden fotonen produceert per geabsorbeerd foton. Het systeem zal de experimenten vervolgens autonoom uitvoeren in een continue stroomreactor, waarbij variabelen zoals hoeveelheden precursor, reactietemperaturen en reactietijden worden gemanipuleerd. Het karakteriseert ook de optische eigenschappen van de kwantumstippen die door elk experiment automatisch worden geproduceerd, wanneer de kwantumstippen de stromingsreactor verlaten.

Het systeem gebruikt vervolgens machine learning om de resultaten te analyseren. Daarbij actualiseert het zijn kennis van de synthesechemie en selecteert het welk experiment er vervolgens moet worden uitgevoerd om de optische eigenschappen van de quantum dots te optimaliseren. Dankzij deze zogenaamde closed-loop-operatie kan SmartDope snel de best mogelijke quantum dot identificeren.

In het werk, waarin Abolhasani en collega's beschrijven Geavanceerde energiematerialen, they studied the best way to make metal cation-doped lead halide perovskite quantum dots. More specifically, they analysed the multi-cation doping of CsPbCl₃ kwantumdots met behulp van een “one-pot” syntheseproces op hoge temperatuur.

Dankzij SmartDope konden de onderzoekers in slechts één dag autonoom hun experimenten uitvoeren, het beste recept identificeren voor het maken van gedoteerde kwantumdots die een fotoluminescentie-kwantumopbrengst van 158% opleverden – dat wil zeggen dat de kwantumdots gemiddeld 1.58 straling uitzonden. fotonen voor elk foton dat ze absorbeerden. Het vorige record in deze materiaalklasse is 130%.

“De implicaties voor dit werk zijn diepgaand”, vertelt Abolhasani Natuurkunde wereld, “vooral voor hernieuwbare energiebronnen. Het vermogen van SmartDope om snel geavanceerde functionele materialen te identificeren en te optimaliseren voor toepassingen zoals fotovoltaïsche apparaten van de volgende generatie, opent nieuwe mogelijkheden om bijvoorbeeld de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren.”

De onderzoekers verfijnen hun systeem nu verder, met als doel “nieuwe materialen te verkennen en de fysieke en digitale mogelijkheden ervan uit te breiden om een ​​breder scala aan uitdagingen in de chemische en materiaalwetenschappen aan te pakken”, zegt Albohasani. “We overwegen ook actief samenwerking met industriële partners om SmartDope in de praktijk te implementeren”, onthult hij. “Ons doel is om de kracht van autonome laboratoria te blijven benutten om snelle vooruitgang in de chemische en materiaalwetenschappen te stimuleren.”

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/autonomous-laboratory-unearths-the-best-quantum-dots-for-optoelectronic-and-photonic-devices/