Crystallization of binary nanocrystal superlattices and the relevance of short-range attraction

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作者
Emanuele Marino,R. Allen LaCour,Timothy C. Moore,Sjoerd W. van Dongen,Austin W. Keller,Di An,Shengsong Yang,Daniel J. Rosen,Guillaume Gouget,Esther H. R. Tsai,Cherie R. Kagan,Thomas E. Kodger,Sharon C. Glotzer,Christopher B. Murray
出处
期刊:Nature Synthesis [Nature Portfolio]
卷期号:3 (1): 111-122 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s44160-023-00407-2
摘要

The synthesis of binary nanocrystal superlattices (BNSLs) enables the targeted integration of orthogonal physical properties, such as photoluminescence and magnetism, into a single superstructure, unlocking a vast design space for multifunctional materials. However, the formation mechanism of BNSLs remains poorly understood, restricting the prediction of the structure and properties of superlattices. Here we use a combination of in situ scattering and molecular simulation to elucidate the self-assembly of two common BNSLs (AlB2 and NaZn13) through emulsion templating. Our self-assembly experiments reveal that no intermediate structures precede the formation of the final binary phases, indicating that their formation proceeds through classical nucleation. Using simulations, we find that, despite the formation of AlB2 and NaZn13 typically being attributed to entropy, their self-assembly is most consistent with the nanocrystals possessing short-range interparticle attraction, which we find can accelerate nucleation kinetics in BNSLs. We also find homogeneous, classical nucleation in simulations, corroborating our experiments. These results establish a robust correspondence between experiment and theory, paving the way towards prediction of BNSLs. Unravelling the formation of binary nanocrystal phases is challenging. Here, by combining in situ small-angle X-ray scattering and molecular dynamics simulations, we show that AlB2 and NaZn13 superlattices undergo classical homogeneous nucleation consistent with the presence of short-range attractive interactions guiding the crystallization process.
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