'ห้องปฏิบัติการอัตโนมัติ' ค้นพบจุดควอนตัมที่ดีที่สุดสำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิก - Physics World

ระบบห้องปฏิบัติการอัตโนมัติใหม่ช่วยให้นักวิจัยสามารถระบุวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับการใช้งานบางอย่างได้ภายในเวลาไม่กี่ชั่วโมงหรือหลายวัน เมื่อเทียบกับหลายปีที่ใช้เทคนิคเคมีเปียกแบบทั่วไป ระบบดังกล่าวซึ่งมีชื่อว่า SmartDope และคิดค้นโดยนักวิจัยในสหรัฐอเมริกา ยังใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อวิเคราะห์ผลการทดลองอีกด้วย ตามที่ผู้สร้างระบุ มันสามารถเร่งกระบวนการค้นพบและพัฒนาวัสดุขั้นสูงสำหรับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์

ในการพัฒนา SmartDope นำทีมโดย มหาวิทยาลัยแห่งรัฐนอร์ทแคโรไลนา วิศวกรเคมี มิลัด อบลหัสนี มุ่งเน้นไปที่ความท้าทายเฉพาะ: วิธีสังเคราะห์จุดควอนตัมเจือที่ดีที่สุดในระดับเดียวกัน นาโนคริสตัลเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้มีสิ่งเจือปนที่ได้รับการนำไปใช้อย่างจงใจเพื่อปรับเปลี่ยนคุณสมบัติทางแสงและเคมีฟิสิกส์ของจุด และแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มอย่างมากสำหรับอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์รุ่นต่อไป ตัวอย่างเช่น จุดควอนตัมที่เจือสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ได้ หากพวกมันได้รับการออกแบบมาเพื่อแปลงแสงยูวีที่มีอยู่มากมายของดวงอาทิตย์ให้เป็นความยาวคลื่นที่เซลล์เหล่านี้ดูดซับได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานของหน่วย

ปัญหาคือมันเป็นเรื่องท้าทายในการสังเคราะห์จุดควอนตัมที่มีคุณภาพสูงมากซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานดังกล่าว การระบุ "สูตร" ที่ดีที่สุดสำหรับการทำเช่นนั้นโดยใช้เทคนิคทั่วไปอาจต้องใช้เวลาถึง 10 ปีในการทดลองในห้องปฏิบัติการแบบเจาะจง Abolhasani อธิบาย “นี่คือเหตุผลว่าทำไมเราจึงพัฒนาห้องปฏิบัติการอัตโนมัติของเรา ดังนั้นเราจึงสามารถดำเนินการนี้ได้ภายในเวลาเพียงไม่กี่ชั่วโมงหรือหลายวัน” เขากล่าว

เป็นระบบวงปิด

ขั้นตอนแรกเมื่อใช้ SmartDope คือจัดเตรียมสารเคมีตั้งต้นให้กับระบบและตั้งเป้าหมาย ตัวอย่างหนึ่งอาจเป็นการค้นหาจุดควอนตัมที่มีการเจือของเพอร์รอฟสไกต์ที่ให้ผลตอบแทนควอนตัมสูงสุด นั่นคือจุดที่สร้างโฟตอนจำนวนมากที่สุดที่ปล่อยออกมาต่อโฟตอนที่ดูดซับ จากนั้นระบบจะทำการทดลองโดยอัตโนมัติในเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่อง โดยควบคุมตัวแปรต่างๆ เช่น ปริมาณของสารตั้งต้น อุณหภูมิของปฏิกิริยา และเวลาของปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังแสดงคุณลักษณะทางแสงของจุดควอนตัมที่เกิดจากการทดลองแต่ละครั้งโดยอัตโนมัติ เมื่อจุดควอนตัมออกจากเครื่องปฏิกรณ์การไหล

จากนั้นระบบจะใช้การเรียนรู้ของเครื่องเพื่อวิเคราะห์ผลลัพธ์ ในกระบวนการนี้ ระบบจะอัปเดตความเข้าใจเกี่ยวกับเคมีสังเคราะห์ และเลือกการทดลองที่จะทำต่อไปเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติทางแสงของจุดควอนตัม การดำเนินการแบบวงปิดนี้ทำให้ SmartDope สามารถระบุจุดควอนตัมที่ดีที่สุดได้อย่างรวดเร็ว

ในงานซึ่ง Abolhasani และเพื่อนร่วมงานอธิบายไว้ วัสดุพลังงานขั้นสูง, 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 ควอนตัมดอตโดยใช้กระบวนการสังเคราะห์ที่อุณหภูมิสูงแบบ "หม้อเดียว"

ต้องขอบคุณ SmartDope ที่ทำให้นักวิจัยสามารถระบุสูตรที่ดีที่สุดสำหรับการสร้างจุดควอนตัมเจือที่ให้ผลผลิตควอนตัมเรืองแสงได้ 158% ในเวลาเพียงหนึ่งวันของการทำการทดลองโดยอัตโนมัติ ซึ่งก็คือจุดควอนตัมที่ปล่อยออกมาโดยเฉลี่ย 1.58 โฟตอนสำหรับโฟตอนทุกตัวที่พวกมันดูดซับ บันทึกก่อนหน้าในวัสดุประเภทนี้คือ 130%

“ผลกระทบต่องานนี้ลึกซึ้งมาก” อโบลฮาซานีกล่าว โลกฟิสิกส์, “โดยเฉพาะด้านพลังงานทดแทน ความสามารถของ SmartDope ในการระบุและเพิ่มประสิทธิภาพวัสดุการทำงานขั้นสูงอย่างรวดเร็วสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น อุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เจเนอเรชั่นถัดไป จะเปิดโอกาสใหม่ๆ ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ เป็นต้น”

ขณะนี้นักวิจัยกำลังปรับปรุงระบบของตนให้ดียิ่งขึ้น โดยมีเป้าหมายเพื่อ "สำรวจวัสดุใหม่ๆ และขยายความสามารถทางกายภาพและดิจิทัลเพื่อจัดการกับความท้าทายในวงกว้างในสาขาวิทยาศาสตร์เคมีและวัสดุ" Albohasani กล่าว “เรายังพิจารณาความร่วมมือกับพันธมิตรในอุตสาหกรรมอย่างแข็งขันเพื่อนำ SmartDope ไปใช้งานในสภาพแวดล้อมจริง” เขากล่าว “เป้าหมายของเราคือการใช้ประโยชน์จากห้องปฏิบัติการอิสระต่อไปเพื่อขับเคลื่อนความก้าวหน้าอย่างรวดเร็วในด้านวิทยาศาสตร์เคมีและวัสดุ”

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/autonomous-laboratory-unearths-the-best-quantum-dots-for-optoelectronic-and-photonic-devices/