Autonomes Labor entdeckt innerhalb weniger Stunden den besten Quantenpunkt seiner Klasse. Es hätte für den Menschen Jahre gedauert

Es kann jahrelange gezielte Laborarbeit erfordern, um herauszufinden, wie Materialien höchster Qualität für den Einsatz in elektronischen und photonischen Geräten hergestellt werden können. Forscher haben nun ein autonomes System entwickelt, das ermitteln kann, wie „beste“ Materialien ihrer Klasse für bestimmte Anwendungen in Stunden oder Tagen synthetisiert werden können.

Das neue System namens SmartDope wurde entwickelt, um eine seit langem bestehende Herausforderung hinsichtlich der Verbesserung der Eigenschaften von Materialien namens Perowskit-Quantenpunkte durch „Dotierung“ zu bewältigen.

„Bei diesen dotierten Quantenpunkten handelt es sich um Halbleiter-Nanokristalle, in die man gezielt spezifische Verunreinigungen eingebracht hat, wodurch sich ihre optischen und physikalisch-chemischen Eigenschaften verändern“, erklärt Milad Abolhasani, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der North Carolina State University und korrespondierender Autor des Artikels „Smart Dope: Ein selbstfahrendes Fluidiklabor zur beschleunigten Entwicklung dotierter Perowskit-Quantenpunkte“ veröffentlicht Open Access in der Zeitschrift Fortschrittliche Energiematerialien.

„Diese besonderen Quantenpunkte sind von Interesse, weil sie vielversprechend für Photovoltaikgeräte der nächsten Generation und andere photonische und optoelektronische Geräte sind“, sagt Abolhasani. „Zum Beispiel könnten sie verwendet werden, um die Effizienz von Solarzellen zu verbessern, weil sie Wellenlängen von UV-Licht absorbieren können, die Solarzellen nicht effizient absorbieren, und sie in Lichtwellenlängen umwandeln können, die Solarzellen sehr effizient in Elektrizität umwandeln können.“ “

Obwohl diese Materialien sehr vielversprechend sind, stellt die Entwicklung von Methoden zur Synthese von Quantenpunkten höchstmöglicher Qualität eine Herausforderung dar, um ihre Effizienz bei der Umwandlung von UV-Licht in die gewünschten Lichtwellenlängen zu maximieren.

„Wir hatten eine einfache Frage“, sagt Abolhasani. „Was ist der bestmögliche dotierte Quantenpunkt für diese Anwendung? Aber die Beantwortung dieser Frage mit herkömmlichen Techniken könnte 10 Jahre dauern. Deshalb haben wir ein autonomes Labor entwickelt, das es uns ermöglicht, diese Frage innerhalb von Stunden zu beantworten.“

Das SmartDope-System ist ein „selbstfahrendes“ Labor. Zunächst teilen die Forscher SmartDope mit, mit welchen Vorläuferchemikalien gearbeitet werden soll, und geben ihm ein bestimmtes Ziel. Das Ziel dieser Studie bestand darin, den dotierten Perowskit-Quantenpunkt mit der höchsten „Quantenausbeute“ oder dem höchsten Verhältnis von Photonen, die der Quantenpunkt emittiert (als Infrarot- oder sichtbare Wellenlängen des Lichts), im Verhältnis zu den Photonen, die er absorbiert (über UV-Licht), zu finden ).

Sobald SmartDope diese ersten Informationen erhalten hat, beginnt es mit der autonomen Durchführung von Experimenten. Die Experimente werden in einem Durchflussreaktor durchgeführt, der extrem kleine Mengen an Chemikalien verwendet, um Experimente zur Quantenpunktsynthese schnell durchzuführen, während die Vorläufer durch das System fließen und miteinander reagieren.

Für jedes Experiment manipuliert SmartDope eine Reihe von Variablen, wie zum Beispiel: die relativen Mengen jedes Vorläufermaterials; die Temperatur, bei der diese Vorläufer gemischt werden; und die Reaktionszeit, die jedes Mal gegeben wird, wenn neue Vorläufer hinzugefügt werden. SmartDope charakterisiert außerdem automatisch die optischen Eigenschaften der Quantenpunkte, die bei jedem Experiment erzeugt werden, wenn sie den Durchflussreaktor verlassen.

„Während SmartDope Daten zu jedem seiner Experimente sammelt, nutzt es maschinelles Lernen, um sein Verständnis der Synthesechemie dotierter Quantenpunkte zu aktualisieren und zu informieren, welches Experiment als nächstes durchgeführt werden soll, mit dem Ziel, den bestmöglichen Quantenpunkt herzustellen“, sagt Abolhasani. „Der Prozess der automatisierten Quantenpunktsynthese in einem Durchflussreaktor, der Charakterisierung, der Aktualisierung des maschinellen Lernmodells und der Auswahl des nächsten Experiments wird als Closed-Loop-Betrieb bezeichnet.“

Wie gut funktioniert SmartDope?

„Der bisherige Rekord für die Quantenausbeute dieser Klasse dotierter Quantenpunkte lag bei 130 % – das bedeutet, dass der Quantenpunkt für jedes absorbierte Photon 1,3 Photonen emittierte“, sagt Abolhasani. „Innerhalb eines Tages nach der Ausführung von SmartDope haben wir einen Weg zur Synthese dotierter Quantenpunkte identifiziert, der eine Quantenausbeute von 158 % ergab. Das ist ein bedeutender Fortschritt, der mit herkömmlichen experimentellen Techniken Jahre dauern würde, um ihn zu finden. Wir haben den Besten seiner Klasse gefunden.“ Lösung für dieses Material an einem Tag.

„Diese Arbeit zeigt die Leistungsfähigkeit selbstfahrender Labore, die Strömungsreaktoren nutzen, um schnell Lösungen in den Chemie- und Materialwissenschaften zu finden“, sagt Abolhasani. „Wir arbeiten derzeit an einigen spannenden Möglichkeiten, diese Arbeit voranzutreiben und sind auch offen für die Zusammenarbeit mit Industriepartnern.“