Crystallization of nanoscaled colloids

Abstract

Colloidal crystals can exhibit novel properties arising from the combination of particle properties and collective phenomena of particle packings. Particular colloidal crystals composed of nanoparticles are interesting, because of the unique properties of nanoscale objects, and because of the formation of three-dimensional structures on scales that can be manufactured using established methods only with great technical effort. The aim of this work was to develop appropriate ways to produce the crystals. Two approaches were chosen. In the first approach, colloid particles were deposited on surfaces in a process similar to dip coating. Large-area crystalline particle films with low defect density were obtained by an optimized deposition geometry. In the second approach attractive interactions between particles were used. Reducing the thermal energy induced agglomeration of the particles. This approach allowed production of a variety of particle structures. Besides the expected result, formation of hexagonal particle packings, unexpected results were obtained. In the first approach a superposition of two crystallization mechanisms ensured a robust formation of hexagonal particle packings. In the second approach crystallization among the particles was suppressed in a pure thermally induced agglomeration.

Kolloidale Kristalle können neuartige Eigenschaften aus der Kombination von Partikeleigenschaften und kollektiven Phänomenen der Partikelpackung aufweisen. Besondere Bedeutung kommen kolloidalen Kristallen aus Nanopartikeln zu, wegen den außergewöhnlichen Eigenschaften von nanoskaligen Objekten und wegen der Bildung von dreidimensionalen Strukturen auf Größenordnungen, die mit etablierten Methoden nur mit großem technischem Aufwand herzustellen sind. Ziel dieser Arbeit war es, geeignete Wege zur Herstellung der Kristalle zu entwickeln. Es wurden zwei Ansätze gewählt. Imersten Ansatz wurden Kolloidpartikel in einem dem Tauchbeschichten ähnlichen Verfahren auf Oberflächen aufgebracht. Es gelang, durch Optimieren der Abscheidegeometrie großflächig kristalline Partikelfilme mit geringer Defektdichte aufzubringen. Imzweiten Ansatz wurden attraktiveWechselwirkungen zwischen den Partikeln genutzt, um durch Reduzieren der thermischen Energie ein Agglomerieren der Partikel herbeizuführen. Dieser Ansatz erlaubte es, ein breites Spektrum an Partikelstrukturen herzustellen. Neben dem erwarteten Ergebnis, der Ausbildung hexagonaler Partikelpackungen, führten die Ansätze auch zu unerwarteten Ergebnissen. So wurde im ersten Ansatz eine Überlagerung von zwei Kristallisationsmechanismen, die eine robuste Ausbildung von hexagonalen Partikelpackungen sicherstellten, im zweiten Ansatz das Ausbleiben von hexagonaler Ordnung bei rein thermischer Agglomeration gefunden.