ナノ粒子：幾何学的ミスフィットひずみによる多粒ナノ結晶の設計と合成

粒界を伴うトポロジカル欠陥（GB欠陥）がナノ結晶材料の電気的、光学的、磁気的、機械的、化学的特性に及ぼす影響は、よく知られている。しかし、結晶粒は一般にサイズや形状の幅が大きく、相対配向がランダムであるため、この影響を実験で解明することは困難である。今回我々は、規則正しい結晶粒の成長が多面体コロイドナノ結晶のヘテロエピタキシーの精密制御によって可能になり、それによってGB欠陥が均一な材料試料を作製できることを示す。我々は、Co₃O₄ナノキューブコアの各ファセット上にMn₃O₄シェルを成長させた多粒ナノ結晶を用いて、今回の方法を例証する。個々のシェルは対称関係の相互接続した結晶粒であり、隣り合う正方晶Mn₃O₄結晶粒間の幾何学的ミスフィットが大きいため、Co₃O₄ナノキューブコアの鋭いエッジ部において回位を介してつながる傾角粒界が生じる。我々は、こうした高秩序多粒子ナノ構造の生成を決定付ける4つの設計原理を特定した。第一に、基材となるナノ結晶の形状は、過成長相の結晶方位を誘導するものでなくてはならない。第二に、基材のサイズは、転位間の特徴的な距離よりも小さくなければならない。第三に、過成長相と基材の間の対称性の不適合が、結晶粒間の幾何学的ミスフィットひずみを増大させる。第四に、平衡に近い条件下でGBを形成するには、リガンドパッシベーションによる弾性エネルギーの増大によってシェルの表面エネルギーのバランスをとる必要がある。これらの原理を用いて、明確なGB欠陥を含むさまざまな多粒ナノ結晶を形成できる。

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