Tuning af de kollektive egenskaber ved kunstige nanopartikelsuperkrystaller

Præcis bestilling i todimensionelle (2-D) og tredimensionelle (3-D) supergitter dannet ved selvsamling af individuelle nanokrystaller (NC'er) giver mulighed for kontrol af det magnetiske, optisk, og elektronisk kobling mellem de enkelte NC'er. Denne kontrol kan føre til nyttige kollektive egenskaber såsom vibrationssammenhæng, reversible metal-til-isolator overgange, øget ledningsevne, spin-afhængig elektrontransport, forbedret ferro- og ferrimagnetisme, indstillelig magnetotransport, og effektiv ladetransport. Disse egenskaber har mange potentielle anvendelser i solceller, felt-effekt transistorer, lysemitterende enheder, fotodetektorer, og fotoledere.

På grund af præcis placering af NC'erne i et 3-D supergitter, sådanne systemer omtales ofte som "superkrystaller" (SC'er) i analogi med krystaller bygget af atomer. Men i modsætning til de atomare krystaller, SC'er tilbyder fleksibiliteten til at indstille interpartikelafstanden på grund af tilstedeværelsen af ​​den "bløde" skal af organiske ligander, der kan bruges til at styre kollektive egenskaber i sådanne strukturer. Strukturel stabilitet og komprimerbarhed er grundlæggende karakteristika for ethvert 3D-system.

Et team af forskere fra Argonne National Laboratory Center for Nanoscale Materials, røntgenvidenskabsafdelingen ved Argonne Advanced Photon Source (APS), University of Chicago's GeoSoilEnviroCARS, som driver Sektor 13 ved APS, og Northwestern University har rapporteret om den første kombinerede kvasi-hydrostatiske, højt tryk, small-angle x-ray scattering (SAXS) og mikro røntgendiffraktion (XRD) undersøgelser på individuelle facetter, 3-D superkrystaller selvsamlet fra kolloide 7,0-nm PbS nanokrystaller. Kombination af SAXS- og XRD -teknikkerne muliggjorde en præcis evaluering af mellempartikelafstanden under trykcyklussen, da volumenændringen for de enkelte NC'er blev taget i betragtning. Neon blev brugt som et trykoverførende medium for at undgå muligheden for udvaskning af organiske ligander fra overfladen af ​​NC'erne og miste den strukturelle integritet af SC'erne på grund af sintring. Diamantamboltcelle (DAC) SAXS eksperimenter i trykområdet fra omgivende til 12,5 GPa, udført på X-ray Science Division røntgenstråle 12-ID-C ved APS, afslørede næsten perfekt strukturel stabilitet af SC'erne, med fcc organisation af NC'erne. XRD -eksperimenterne, som blev udført ved GeoSoilEnviroCARS røntgenstrålelinje 13-ID-D ved APS, demonstreret, at NC'er har stærk præferenceorientering af individuelle NC'er i SC'er op til ~ 55 GPa, der bevares under trykcykling.

De mekaniske egenskaber af de enkelte NC'er, deres SC'er, og ligandmatrixen blev analyseret under anvendelse af ligningen af ​​tilstande afledt af kompressionsdataene produceret af SAXS og XRD. Omgivelsestryk bulk modul af SC'erne blev beregnet til at være ~ 5 GPa under komprimering og ~ 14,5 GPa under frigivelsescyklussen, henholdsvis. NC'er viste sig at gennemgå førsteordens faseovergang over 8 GPa, og transformationen fortsætter gennem en enkelt nukleationshændelse (inden for et trykområde på 8,1-9,2 GPa) under den første overgang, og heterogen kimdannelse under den anden transformation fra mellemfasen (der endnu ikke er identificeret) til CsCl -struktur. Et bulkmodul for ligandmatrixen på ~ 2,2-2,95 GPa er en størrelsesorden større end den, der observeres fra nanoindentationsstudie.

SC'ernes høje strukturelle stabilitet og evnen til at indstille mellempartikelafstanden ser ud til at give løfte om yderligere manipulation af de kollektive egenskaber ved selvorganiserede kunstige faste stoffer, herunder de strukturer, der bestod af NC'er, der blev transformeret ved højt tryk til en anden fase. Kombinationen af ​​højtryks XRD og SAXS giver unikke muligheder for at få direkte information om de mekaniske egenskaber af individuelle byggeklodser og deres hierarkiske arkitekturer.