Automatisierte Synthese kolloidaler Partikeln zur wissensbasierten Produktgestaltung

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Peukert; Professorin Dr.-Ing. Doris Segets
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281196640

Ziel des Projekts ist die Etablierung einer Forschungsplattform zur hochreproduzierbaren, automatisierten Synthese von Halbleiternanopartikeln mit schneller Probenahme. Halbleiternanopartikeln sind aufgrund ihrer vielversprechenden und stark größenabhängigen optoelektronischen Eigenschaften vielversprechende Materialien in wichtigen Forschungsfeldern wie elektronischen Bauelementen oder erneuerbaren Energien. Die Herstellungsverfahren zur kontrollierten Synthese dieser kleinsten Bausteine sind komplex und erfordern erfahrene Experimentatoren. Durch ausgeprägte Struktur-Eigenschaftsbeziehungen haben bereits minimale Abweichungen der Partikelgrößenverteilung (PGV), die Anwesenheit und Zusammensetzung einer anorganischen Hülle oder kleinste Änderungen der Oberflächenchemie große Auswirkungen auf die späteren Produkteigenschaften (Absorption, Emission).Grundsätzlich sollen die folgenden Punkte adressiert werden: i) Übertragung anspruchsvoller Laborprotokolle auf automatisierte Arbeitsabläufe, ii) weitestgehender Ausschluss des Faktors Mensch für ausgezeichnete Reproduzierbarkeit auch bei anspruchsvollen Bedingungen, iii) Etablierung von Prozess-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen, iv) schnelles und effizientes Durchfahren großer Parameterräume zur Materialentwicklung und v) Gewinnung eines mechanistischen Verständnisses der Partikelbildung durch die Ermittlung kinetischer Parameter. Dies ist notwendig um zu verstehen, zu welchem Zeitpunkt innerhalb der Prozesskette von einzelnen Bausteinen zu funktionalen Bauelementen Qualität verloren geht, bzw. wie neue Materialien aufgebaut und prozessiert werden müssen, um optimale Produkteigenschaften zu erreichen.Während der Fokus der ersten Förderperiode auf der Charakterisierung des Systems und der Entwicklung effizienter Verfahren zum Material- und Prozessscreening liegt, sollen in der zweiten Förderperiode mechanistische Untersuchungen zur Partikelbildung (Keimbildung, Wachstum, Reifung) durchgeführt werden. In diesem Kontext soll auch ein Hochdurchsatz-Post-Processing zur Aufreinigung und Klassierung entwickelt werden. Dies führt zur Etablierung von automatisierten Hochdurchsatzverfahren für die wissensbasierte Bestimmung optimaler Prozesse zur Nanopartikelsynthese.Innerhalb der ersten Förderperiode sind folgende Arbeiten geplant: Zunächst sollen Hochdurchsatzprotokolle für die Synthese aber auch die Charakterisierung hinsichtlich Dispersität (PGV) und Produkteigenschaft (Quantenausbeute) entwickelt werden. Des Weiteren soll die Probenahme während früher Stadien der Partikelbildung (< 10s) etabliert und eine umfassende Charakterisierung des Systems hinsichtlich der Temperaturprofile aber auch hinsichtlich der charakteristischen Mischzeiten durchgeführt werden. Gerade letztere sind wichtig im Hinblick auf die am Ende der ersten Förderperiode angestrebten Untersuchungen zum Abfahren großer Parameterräume und der Bestimmung wichtiger Prozess-Struktur- sowie Struktur-Eigenschaftsbeziehungen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen