Small Science:介晶的电磁学特性调节

原创署名:SMSC

纳米晶体可自发自组装成高度有序的超结构,这种特性催生了新一代的纳米结构材料。研究表明,由于范德华相互作用,球形纳米粒子通常自组织成密排面心立方或六方密排超晶格。各向同性的纳米晶体在形成具有大空间填充率的胶体晶体方面非常高效,但因为缺乏方向性,它们的应用受到固有的限制。随着研究的深入,各向异性纳米粒子及其在胶体超结构内形成晶体取向排列的能力受到了关注,被称为介晶(mesocrystal)。在近期的报道中,发现了在定制各向异性纳米粒子的介晶时,可获得许多新奇的特性,例如大颗粒组件中的超顺磁性、可调电导率等。这些新奇的特性或增强的活性,使得介晶有在催化等领域进行工业化应用的潜力。然而直至今日,将各向异性纳米粒子形成为微米级的介晶超结构仍是一项重大挑战,需要精确调整实验条件,以将纳米晶体、稳定剂和溶剂分子之间的多种驱动力的复杂相互作用按照需要进行定向和平移排序。

为探明影响介晶电导率的因素和机制,德国康斯坦茨大学Helmut Cölfen团队在Small Science上发表了研究文章,揭示了微米级铂纳米立方体基介晶的电磁学特性,以及如何通过制备过程对其性能进行调整。

在这项工作中,研究团队提出了一种方法来确定和研究以微米级铂纳米立方体、氧化铁纳米立方体为基础的介晶形式的胶体金属/金属氧化物超结构的电性能。通过对单个试样进行纳米处理并记录多个连续的I-V扫描,实现了电导率的测量。通过使用油酸、亚油酸和亚麻酸作为铂纳米立方体的不同封端,可以调整介晶体的导电性。

为了研究潜在的电子传导机制,团队观察到中晶体的固有电阻随着组件内面与面之间的颗粒间隙而增加。粒子距离的这种变化是由封端剂内C═C双键的不同数量引起的。此外,随温度变化的I-V测量排除了金属传导机制,因为中间晶体的电阻随着温度的升高而呈指数级下降。因此作者认为,热激活的隧道机制负责电子在整个介晶的传播。此外,本工作的发现也可以扩展到多组分系统,如二元介晶,其中铂和氧化铁纳米粒子的相互作用可以作为多功能材料。研究表明,这种材料的电子传导行为可以通过后续的热处理保留或调整,同时增加氧化铁纳米粒子的磁性或潜在的超顺磁性。

纳米晶体可以作为新型超材料的构建快(building block),实现材料从软到硬、可溶解到永久、绝缘到导电的广泛特性,用于制造具有可控电子特性的功能性介晶。

文章信息:

Tuning the Electronic Properties of Mesocrystals

Christian Jenewein, Stefan M. Schupp, Bing Ni, Lukas Schmidt-Mende, Helmut Cölfen*

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202200014

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smsc.202200014