Квантовые точечные источники представляют собой нанокристаллы полупроводников, обладающие уникальными физико-химическими и оптическими свойствами. Они могут поглощать ультрафиолетовый свет и излучать видимый или инфракрасный свет, что делает их перспективными для применения в фотоэлектрических устройствах и других фотонных и оптоэлектронных приборах. Однако, получение высококачественных квантовых точечных источников требует тщательного легирования, что представляет собой сложную и трудоемкую задачу, требующую многолетних исследований в лабораторных условиях.
Предыдущий рекорд квантового выхода в этом классе легированных квантовых точек составлял 130%, что означает, что квантовая точка испускала 1,3 фотона на каждый поглощённый фотон. В течение одного дня после запуска SmartDope мы определили способ синтеза легированных квантовых точек, который дал квантовый выход 158%. Это значительный прогресс, на поиск которого ушли бы годы, используя традиционные экспериментальные методы. Мы нашли лучшее в своем классе решение для этого материала за один день
— Милад Аболхасани, автор статьи о SmartDope и доцент кафедры химической инженерии Северо-Каролинского университета.
Уникальность созданной лаборатории заключается в ее способности самостоятельно синтезировать передовые квантовые точечные источники за несколько часов или дней. Эта система, названная SmartDope, была разработана для решения длительной проблемы улучшения свойств перовскитных квантовых точечных источников.
SmartDope — «самоуправляемая» лаборатория. Для начала исследователи сообщают SmartDope, с какими исходными химическими веществами работать и дают ей определенную цель. Цель в этом исследовании была найти легированный перовскитный квантовый точечный источник с наивысшим «квантовым выходом», то есть наивысшим отношением фотонов, которые квантовый точечный источник излучает (в виде инфракрасного или видимого света), к фотонам, которые он поглощает (в виде ультрафиолетового света). После того, как она получила эту начальную информацию, SmartDope начинает проводить эксперименты автономно.
Эксперименты проводятся в непрерывном потоковом реакторе, который использует очень малые количества химических веществ для быстрого проведения экспериментов по синтезу квантовых точечных источников, поскольку исходные вещества протекают через систему и реагируют друг с другом. Для каждого эксперимента SmartDope манипулирует рядом переменных, таких как: относительные количества каждого исходного вещества; температура, при которой она смешивает эти вещества; и время реакции, данное при добавлении новых веществ.
После каждого эксперимента SmartDope измеряет квантовый выход полученного квантового точечного источника и анализирует его спектральные характеристики. Затем она использует алгоритм машинного обучения, чтобы определить, какие параметры синтеза приводят к наилучшему результату. На основе этого анализа она адаптирует свою стратегию для следующего эксперимента, чтобы приблизиться к цели. Таким образом, SmartDope постоянно улучшает свои знания и навыки, чтобы найти оптимальный рецепт для создания лучшего в своем классе квантового точечного источника.
Используя этот подход, SmartDope смогла обнаружить квантовый точечный источник с квантовым выходом более 90%, что является рекордом для перовскитных квантовых точечных источников. Куратор исследования, профессор Милад Аболхасани, с удивлением отмечает, что автономная лаборатория достигла этого результата всего за 12 часов работы, тогда как в обычных условиях такого прогресса могло занять годы. Это первый пример такой автономной системы, что открывает новые возможности для синтеза высококачественных квантовых точечных источников для различных практических приложений.
Это первый пример автономной лаборатории, которая может синтезировать легированные квантовые точечные источники высочайшего качества для конкретных приложений
— Милад Аболхасани.
Статья «Smart Dope: A Self-Driving Fluidic Lab for Accelerated Development of Doped Perovskite Quantum Dots» опубликована в открытом доступе в журнале Advanced Energy Materials.
