自主实验室在数小时内发现了一流的量子点

可能需要多年的集中实验室工作才能确定如何制造用于电子和光子器件的最高质量材料。研究人员现已开发出一种自主系统，可以识别如何在数小时或数天内合成用于特定应用的“一流”材料。

这种名为SmartDope的新系统的开发是为了解决通过“掺杂”增强钙钛矿量子点材料性能的长期挑战。

北卡罗莱纳州立大学化学工程副教授、该论文的通讯作者米拉德·阿博哈萨尼(MiladAbolhasani)解释道：“这些掺杂量子点是半导体纳米晶体，你可以有针对性地向其中引入特定的杂质，从而改变它们的光学和物理化学特性。”“智能涂料：加速掺杂钙钛矿量子点开发的自驱动流体实验室”，在《先进能源材料》杂志上发表开放获取。

“这些特殊的量子点很有趣，因为它们有望用于下一代光伏器件和其他光子和光电器件，”阿博哈萨尼说。“例如，它们可以用来提高太阳能电池的效率，因为它们可以吸收太阳能电池不能有效吸收的紫外线波长，并将其转换成太阳能电池能够非常有效地转化为电能的光波长。”

然而，虽然这些材料非常有前途，但在开发合成最高质量的量子点的方法方面仍然存在挑战，以便最大限度地提高其将紫外光转换为所需波长的光的效率。

“我们有一个简单的问题，”阿博哈萨尼说。“对于这种应用来说，最好的掺杂量子点是什么?但使用传统技术回答这个问题可能需要10年。因此，我们开发了一个自主实验室，使我们能够在数小时内回答这个问题。”

SmartDope系统是一个“自动驾驶”实验室。首先，研究人员告诉SmartDope需要使用哪些前体化学品，并为其指定一个指定目标。本研究的目标是找到具有最高“量子产率”的掺杂钙钛矿量子点，或者量子点发射的光子(作为红外或可见波长的光)相对于其吸收的光子(通过紫外光)的最高比率)。

一旦收到初始信息，SmartDope就会开始自主运行实验。实验在连续流动反应器中进行，当前体流过系统并相互反应时，该反应器使用极少量的化学品快速进行量子点合成实验。

对于每个实验，SmartDope都会操纵一组变量，例如：每种前体材料的相对量;混合这些前体的温度;以及每当添加新前体时给出的反应时间。SmartDope还可以在每次实验产生的量子点离开流动反应器时自动表征其光学特性。

Abolhasani说：“当SmartDope收集每个实验的数据时，它会使用机器学习来更新对掺杂量子点合成化学的理解，并告知下一步要进行哪个实验，其目标是使最好的量子点成为可能。”“在流动反应器中自动合成量子点、表征、更新机器学习模型和下一个实验选择的过程称为闭环操作。”

那么，SmartDope的效果如何?

“此类掺杂量子点的量子产率之前的记录为130%，这意味着量子点每吸收一个光子就会发射1.3个光子，”Abolhasani说。“运行SmartDope一天之内，我们就确定了一种合成掺杂量子点的路线，其量子产率为158%。这是一个重大进步，使用传统实验技术需要数年时间才能找到。我们找到了一流的方法一天内解决此材料。

“这项工作展示了自动驾驶实验室使用流动反应器快速找到化学和材料科学解决方案的能力，”Abolhasani说。“我们目前正在研究一些令人兴奋的方法来推动这项工作，并且也愿意与行业合作伙伴合作。”