“自主实验室”挖掘出用于光电和光子器件的最佳量子点 – 物理世界

由柏拉图重新发布

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艺术家的图像显示一个人形机器人站在实验室长凳上，操纵被粉色和黄色灯光照亮的管道系统 — 闭环：自主系统（此处以其概念形式显示）可以确定如何在数小时或数天内合成用于特定应用的“一流”材料。（由北卡罗来纳州立大学米拉德·阿博哈萨尼提供）

新的自主实验室系统使研究人员能够在几小时或几天内确定某些应用的最高性能材料，而使用传统湿化学技术需要花费数年时间。该系统由美国研究人员设计，名为 SmartDope，也使用机器学习来分析实验结果。据其创建者称，它可以加速发现和开发用于光电子和光子器件的先进材料的过程。

在开发 SmartDope 的过程中，领导的团队北卡罗来纳州立大学化学工程师米拉德·阿博哈萨尼专注于一个特定的挑战：如何合成同类中最好的掺杂量子点。这些半导体纳米晶体含有故意引入的杂质，以改变点的光学和物理化学性质，它们在下一代光伏器件中显示出很大的前景。例如，如果掺杂量子点能够将太阳丰富的紫外线转换成这些电池更有效吸收的波长，从而提高太阳能电池的能量转换效率，那么它们就可以提高太阳能电池的效率。

问题在于，合成此类应用所需的高质量量子点具有挑战性。 Abolhasani 解释说，使用传统技术确定最佳“秘诀”可能需要 10 年的集中实验室实验。 “这就是我们开发自主实验室的原因 - 这样我们就可以在短短几小时或几天内完成这一任务，”他说。

闭环系统

使用 SmartDope 的第一步是为系统提供前体化学品并为其设定目标。一个例子可能是找到具有最高量子产率的掺杂钙钛矿量子点，即每个吸收的光子发出的光子数量最多的量子点。然后，系统将在连续流反应器中自主运行实验，操纵前体量、反应温度和反应时间等变量。当量子点离开流动反应器时，它还自动表征每个实验产生的量子点的光学特性。

然后系统使用机器学习来分析结果。在此过程中，它更新了对合成化学的理解，并选择接下来要运行的实验来优化量子点的光学特性。这种所谓的闭环操作使 SmartDope 能够快速识别出最佳的量子点。

在 Abolhasani 和同事描述的工作中 先进能源材料, 他们研究了制造金属阳离子掺杂卤化铅钙钛矿量子点的最佳方法。更具体地说，他们分析了 CsPbCl 的多阳离子掺杂₃ 使用“一锅”高温合成工艺制备量子点。

借助 SmartDope，研究人员在自主运行实验的短短一天内就确定了制造掺杂量子点的最佳配方，该量子点产生的光致发光量子产率为 158%，即量子点平均发射 1.58它们吸收的每个光子的光子数。此类材料此前的记录为130%。

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“这项工作的影响是深远的，”阿博哈萨尼说 物理世界，“特别是对于可再生能源。例如，SmartDope 能够快速识别和优化下一代光伏设备等应用的先进功能材料，为提高太阳能电池的效率开辟了新的可能性。”

阿尔博哈萨尼说，研究人员现在正在进一步完善他们的系统，目的是“探索新材料并扩展其物理和数字能力，以应对化学和材料科学领域更广泛的挑战”。 “我们还在积极考虑与行业合作伙伴合作，在现实环境中实施 SmartDope，”他透露道。 “我们的目标是继续利用自主实验室的力量来推动化学和材料科学的快速进步。”