새로운 자율 실험실 시스템을 통해 연구원들은 기존 습식 화학 기술을 사용하는 데 수년이 걸렸던 것과 비교하여 몇 시간 또는 며칠 만에 특정 응용 분야에 대한 최고 성능의 재료를 식별할 수 있게 되었습니다. 미국 연구진이 고안한 SmartDope라는 이름의 이 시스템은 기계 학습을 사용하여 실험 결과를 분석합니다. 제작자에 따르면 광전자공학 및 포토닉스 장치용 고급 재료를 발견하고 개발하는 과정을 가속화할 수 있습니다.

SmartDope를 개발하는 팀은 다음과 같습니다. 노스 캐롤라이나 주립 대학 화학 공학 기술자 밀라드 아볼하사니 동급 최고의 도핑된 양자점을 합성하는 방법이라는 특정 과제에 중점을 두었습니다. 이러한 반도체 나노결정에는 도트의 광학적 및 물리화학적 특성을 수정하기 위해 의도적으로 도입된 불순물이 포함되어 있으며 차세대 광전지 장치에 대한 많은 가능성을 보여줍니다. 예를 들어, 도핑된 양자점은 태양의 풍부한 UV 광선을 이러한 셀에 더 효율적으로 흡수되는 파장으로 변환하여 장치의 에너지 변환을 향상하도록 설계되면 태양 전지의 효율성을 향상시킬 수 있습니다.

문제는 이러한 응용 분야에 필요한 매우 높은 품질로 양자점을 합성하는 것이 어렵다는 것입니다. Abolhasani는 기존 기술을 사용하여 이를 위한 최상의 "레시피"를 식별하는 데 10년의 집중적인 실험실 실험이 필요할 수 있다고 설명합니다. "이것이 우리가 자율 연구실을 개발한 이유입니다. 단 몇 시간 또는 며칠 만에 이 작업을 수행할 수 있기 때문입니다."라고 그는 말합니다.

폐쇄 루프 시스템

SmartDope를 사용하는 첫 번째 단계는 시스템에 전구체 화학 물질을 제공하고 목표를 부여하는 것입니다. 한 가지 예는 가장 높은 양자 수율을 갖는 도핑된 페로브스카이트 양자점, 즉 흡수된 광자당 가장 많은 수의 광자를 방출하는 양자점을 찾는 것입니다. 그런 다음 시스템은 연속 흐름 반응기에서 자율적으로 실험을 실행하여 전구체 양, 반응 온도 및 반응 시간과 같은 변수를 조작합니다. 또한 양자점이 유동 반응기를 떠날 때 각 실험에서 자동으로 생성된 양자점의 광학적 특성을 특성화합니다.

그런 다음 시스템은 기계 학습을 사용하여 결과를 분석합니다. 이 과정에서 합성 화학에 대한 이해를 업데이트하고 양자점의 광학적 특성을 최적화하기 위해 다음에 실행할 실험을 선택합니다. 소위 폐쇄 루프 작업이라고 불리는 이 작업을 통해 SmartDope는 가능한 최고의 양자점을 신속하게 식별할 수 있습니다.

Abolhasani와 동료들이 설명하는 작업에서 고급 에너지 재료, 연구팀은 금속 양이온이 도핑된 납 할로겐화물 페로브스카이트 양자점을 만드는 가장 좋은 방법을 연구했습니다. 보다 구체적으로 CsPbCl의 다중 양이온 도핑을 분석했습니다.₃ '원팟(one-pot)' 고온 합성 공정을 이용한 양자점.

SmartDope 덕분에 연구원들은 자율적으로 실험을 단 하루 만에 158%의 광발광 양자 수율을 생성하는 도핑된 양자점을 만드는 최고의 방법을 식별할 수 있었습니다. 즉, 양자점은 평균 1.58%의 양자점을 방출했습니다. 흡수한 모든 광자에 대한 광자. 이 소재 클래스의 이전 기록은 130%입니다.

Abolhasani는 "이 작업에 대한 의미는 심오합니다."라고 말합니다. 물리 세계, “특히 재생에너지에 대해서는요. 차세대 광전지 장치와 같은 응용 분야를 위한 고급 기능성 소재를 신속하게 식별하고 최적화하는 SmartDope의 능력은 예를 들어 태양 전지의 효율성을 향상시킬 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다."

연구원들은 이제 "화학 및 재료 과학의 광범위한 과제를 해결하기 위해 새로운 재료를 탐색하고 물리적 및 디지털 기능을 확장"하는 것을 목표로 시스템을 더욱 개선하고 있다고 Albohasani는 말합니다. “우리는 또한 실제 환경에서 SmartDope를 구현하기 위해 업계 파트너와의 협력을 적극적으로 고려하고 있습니다.”라고 그는 밝혔습니다. "우리의 목표는 자율 실험실의 힘을 계속 활용하여 화학 및 재료 과학의 급속한 발전을 촉진하는 것입니다."

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• 출처: https://physicsworld.com/a/autonomous-laboratory-unearths-the-best-quantum-dots-for-optoelectronic-and-photonic-devices/