تقنية جديدة تستخدم البلورات السائلة لصناعة نانوكريستالات بيروفسكايت ببرودة الغرفة
طريقة فعّالة للتحكم بحجم وإشعاع نانوكريستالات البيروفسكايت وتزيد كفاءة الإشعاع الضوئي.. أكثر نقاءً وسطوعًا
في عمل جديد من جامعة بوهاڤ للعلوم والتكنولوجيا (POSTECH)، نجح العلماء في نمو نانوكريستالات البيروفسكايت، وهي أشباه موصلات دقيقة يمكن تعديل انبعاثها الضوئي.
تم نمو هذه البلورات في مذيب منظم بعناية عند درجة حرارة الغرفة.
أسفرت هذه الطريقة عن نحو 80% من المنتج القابل للاستخدام لكل دفعة، مقارنة بأقل من 1% في الوصفة القياسية المماثلة.
أهمية نانوكريستالات البيروفسكايت
قاد هذا العمل الدكتور يونح-كي كيم في POSTECH، ويركز بحثه على استخدام المواد اللينة المنظمة لتنظيم النانومواد والأجهزة الضوئية الإلكترونية بخواص مضبوطة بدقة.
تشير المراجعات إلى أن صيغ البيروفسكايت بالفعل تغذي خلايا شمسية أولية، وأجهزة كشف ضوئي، ومصدرات ضوئية ذات ألوان مشبعة، توفر هذه النانوكريستالات نقاء لونيًا عاليًا ويمكن خلطها مع الحبر لصناعة قائمة على المحلول.
تشير الدراسات الأساسية إلى أن البيروفسكايت يتمتع بامتصاص عالٍ، وطول مسافة انتشار الشحنات، وانبعاث فعال يتنافس مع البلورات التقليدية.
مشكلة طرق التحضير الساخنة
للاستفادة من هذه الخصائص الضوئية في الأجهزة الفعلية، يحتاج الباحثون إلى دفعات تتشارك فيها جميع النانوكريستالات تقريبًا نفس الحجم والشكل.
تتطلب طرق الحقن الساخن التقليدية حقن المواد الأولية بسرعة في مذيب عالي الغليان مع التحريك بقوة، عند درجات حرارة تتجاوز 140 درجة مئوية.
تحتاج هذه التفاعلات إلى توقيت دقيق وظروف تحريك صارمة، لذلك تؤدي أي تغييرات صغيرة في المفاعلات الكبيرة إلى تفاوت أكبر في حجم البلورات.
تسمح طريقة إعادة ترسيب بمساعدة الروابط (Ligand-assisted reprecipitation) بإجراء التفاعل عند درجة حرارة الغرفة، لكنها غالبًا ما تنتج توزيعات حجمية واسعة يصعب تنقيتها.
البلورات السائلة والتفاعلات الذكية
البلورات السائلة، سوائل تتماشى جزيئاتها في اتجاه محدد، تتفاعل بحساسية عند محاولة الأجسام المدمجة ثني أو لف هذا الترتيب.
أظهرت الدراسات السابقة، أن الألياف البوليمرية النانوية التي تُنمو داخل أفلام البلورات السائلة يمكن أن تحدد قطر الألياف قرب مقياس معين، قدمت هذه الدراسات مفهوم “طول الاستقراء” الذي يحدد السمك الأقصى للأجسام المدمجة.
استنتج فريق كيم أنه إذا تشكلت نانوكريستالات البيروفسكايت داخل مضيف مشابه، يمكن لتأثيرات المرونة أن تحد تلقائيًا من نموها.
حجم نانوكريستالات البيروفسكايت
أولاً، ذاب الفريق المواد الأولية والروابط في ثنائي ميثيل فورماميد، مذيب شائع يساعد على المزج قبل تكوين البلورات.
ثم حقنوا الخليط في بلورة سائلة نمطية بدلًا من التولوين المستخدم عادةً. يعمل هذا المذيب كـ “مذيب عكسي” يجبر المكونات المذابة على الترسيب كنانوكريستالات.
عندما تكون الجزيئات صغيرة، فإنها لا تزعج الترتيب الجزيئي المحيط، لذلك يستمر النمو مثل تجربة إعادة الترسيب عند درجة حرارة الغرفة، عند الاقتراب من طول الاستقراء، يتوقف النمو تلقائيًا عند نحو ثمانية نانومترات.
أسطح أنظف وضوء أكثر إشعاعًا
نمو البلورات داخل البلورة السائلة لا يسيطر على الحجم فقط، بل يعيد كتابة كيمياء السطح.
تفضل جزيئات البلورة السائلة التماشي مع أطوال الهيدروكربون الطويلة على الروابط، ما يشجع على تغطية مرتبة وكثيفة حول كل نانوكريستال.
أظهرت قياسات الأشعة السينية وجود روابط أمينية، وزيادة تغطية أيونات البروميد على السطح، وانخفاض الرصاص المعدني مقارنة بالعينات التقليدية، عززت هذه التحسينات سطحياً الكفاءة الضوئية للنانوكريستالات، متفوقة على العديد من الوصفات عند درجة حرارة الغرفة.
منع تكتل النانوكريستالات
في المذيبات التقليدية، يمكن للنانوكريستالات أن تندمج عند التصادم، ما يوسع الطيف البصري مع الوقت.
في المذيب النيماتيكي، يسحب كل جسيم أكبر العيوب الطوبولوجية، وهي مناطق صغيرة يفشل فيها ترتيب البلورة السائلة، فتتجمع التشوهات المرنة، عندما تقترب نانوكريستالات البلورات السائلة من بعضها، تنجذب أولًا ثم تتنافر قبل التلامس، ما يمنع التكتل ويثبت حجم البلورات.
تشكيل المكعبات والعصي والألواح
بعد التحكم بالحجم، تعدل كمية الروابط الأمينية الأولية لتوجيه الشكل العام للبلورات.
– تركيز منخفض: مكعبات مضغوطة
– تركيز متوسط: مزيج يشمل عصي أحادية البعد
– تركيز عالي: ألواح نانوية ممتدة
حافظ المذيب السائل على ذروة انبعاث ضيق، دلالة على تحكم دقيق بالأبعاد.
الإنتاج الكمي باستخدام الميكروفلويديك
تتيح المنصات الميكروفلويدية التحكم الدقيق بتدفق السوائل لصنع النانوكريستالات على نطاق مستمر.
أدخل فريق كيم محلول البيروفسكايت والمذيب السائل عبر قنوات متقاطعة، وجمعوا تدفقًا مستمرًا من تعليق النانوكريستالات، تغيير معدل التدفق وتركيز الروابط يسمح بتعديل لون الانبعاث دون فقدان النقاء الطيفي، مع حاجة لغسل خفيف فقط.
نانوكريستالات البيروفسكايت والأجهزة
قد تسهّل النانوكريستالات الموحدة والسطوع العالي عند درجة حرارة الغرفة تصنيع الشاشات، الإضاءة الصلبة، وأجهزة الكشف الطيفي.
تعمل الاستراتيجية أيضًا مع نانوكريستالات بروميد السيزيوم الرصاصية، ويمكن دمجها مع طبقات نقل الشحنة في LED البيروفسكايت المتقدمة والخلايا الشمسية الأولية.
وصف كيم الطريقة بأنها “استراتيجية متعددة الاستخدامات لتصنيع نانوكريستالات بيروفسكايت متجانسة جدًا عند درجة حرارة الغرفة”.
