北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种微流体系统，用于在整个可见光谱范围内合成钙钛矿量子点。该系统大大降低了制造成本，可根据需要调整为任何颜色，并允许实时过程监控，以确保质量控制。
在过去的二十年中，胶体半导体纳米晶体(称为量子点(QD))已经成为用于从生物传感和成像到LED显示器和太阳能收集的应用的新型材料。新系统可用于连续制造用于这些应用的高质量QD。“我们称这个系统为纳米晶体(NC)工厂，它建立在我们于2017年推出的NanoRobo微流体平台上，”北卡罗来纳州化学和生物分子工程助理教授Milad Abolhasani说道，该论文的相应作者工作。
“我们不仅可以使用连续制造方法创建任何颜色的QD，而且NC工厂系统是高度模块化的，”Abolhasani说。“这意味着，通过连续过程监控，系统可以根据需要进行修改，以消除批次之间的差异，这可能是传统QD制造技术的一个重大问题。此外，我们在此开发的化学反应工作允许钙钛矿QD处理在室温下进行。“
QD的荧光颜色是化学组成，尺寸和纳米晶体加工方式的结果。NanoRobo系统中使用的原始QD合成策略允许室温合成绿色发光钙钛矿QD，其使用溴化铯铅制成。NC工厂从铯溴化铅钙钛矿量子点开始，然后引入各种卤化物盐，以精确调整其在整个可见光范围内的荧光颜色。这些盐中的阴离子用碘原子(向光谱的红端移动)或氯原子(向蓝色移动)取代绿色发光点中的溴原子。
“因为NC工厂可以精确控制化学成分和加工参数，它可以用来连续制造任何颜色的钙钛矿量子点，并具有最高的质量，”Abolhasani说。NC Factory系统由三个“即插即用”模块组成。研究人员开发了一种预混合模块，以加快卤化物盐和量子点的混合，从而提高产品质量。该系统还包含一个速度传感器，允许用户准确地监测反应时间。然后使用NanoRobo过程监测模块原位监测合成的QD。
“从科学的角度来看，NC工厂系统使我们发现这种卤化物交换过程分三个阶段进行，”Abolhasani说。“这对于更好地理解反应机制非常重要。但该系统也可能影响与量子点应用和制造相关的实际问题。”例如，钙钛矿量子点因其效率而对太阳能行业具有吸引力，但它们仍然太昂贵而无法大规模采用。其中60%以上的成本归功于制造业劳动力。
“NC工厂系统将需要更少的劳动力来连续运行，”Abolhasani说。“我们估计该系统可以将整体制造成本降低至少50%。它应该降低任何应用的QD制造成本，并且至少应该保留 - 如果不是改善 - 量子点的质量。“我们已经为该系统提交了一项专利，并正在与行业合作者合作，将该技术商业化，”Abolhasani说。
该论文“由模块化微流体平台实现的无机钙钛矿量子点的简易室温阴离子交换反应”发表在“高级功能材料”杂志上。共同第一作者是Kameel Abdel-Latif和Robert Epps，他们是博士。北卡罗来纳州化学和生物分子工程专业的学生。该论文由北卡罗来纳州立大学的本科生Corwin Kerr共同撰写;克里斯托弗帕帕，博士北卡罗来纳州化学系学生;和北卡罗来纳州立大学化学晚安创新杰出教授Felix Castellano。
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