Predicting metallic nanoparticle morphologies from DFT calculations of surface-ligand interactions

Prédiction des morphologies de nanoparticules métalliques à partir de calculs DFT des interactions surface-ligand

van Bac Nguyen (1)

1 CEMES - Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales

Nanoparticles are one of the most important families of functional materials due to their nanometric size. This size reduction, associated to their composition, surfaces orientation and morphology has contributed to the emergence of new important properties such as electronic, magnetic, catalytic, optic, etc. To control the morphology of NPs, many efforts have been devoted to understand their formation mechanism and the origin of their stability. Among metallic nanoparticles, cobalt, with its hexagonal closed-packed (hcp) structure, is particularly interesting because of the possibility to grow "naturally" anisotropic shaped nanocrystals. Using chemical synthesis in liquid environment, various morphologies such as disks, plates, rods, wires and cubes have been obtained by controlling the precursor type, the reducing agent, the stabilizing ligands as well as their concentration, the temperature or the rate of precursor injection. Even if these synthesis conditions have been rationalized, few is known concerning the growth mechanisms at the atomic scale. In this work, we have developed two quantitative morphology prediction models, one based on the final thermodynamic equilibrium state, while another is controlled by the kinetics. These models require the knowledge of the adsorption behaviors of stabilizing molecules as a function of surface coverage on preferential facets of NPs. To this end, density functional theory (DFT) calculations were performed on a series of stabilizing molecules (CH3NH2 , CH3COO C5H11OO and C11H23COO) adsorbed on the different Co and Ni surfaces. The shape of the Co NPs obtained by these two models was compared to experimental morphologies and other theoretical results from the literature. The variety of forms predicted by the kinetic model agrees better with the NPs morphologies obtained under the different synthesis conditions. This confirms that the morphology control of NPs is mostly driven by the kinetics.

Les nanoparticules (NPs) sont des matériaux fonctionnels importants du fait de leur taille nanométrique. Cette réduction en taille, associée à la composition, à l'orientation des surfaces et à la morphologie contribue à l'exaltation de nombreuses propriétés importantes telles que les propriétés électroniques, magnétiques, catalytiques, optiques, etc. Pour contrôler la morphologie des NPs, de nombreux efforts ont été consacrés à comprendre leurs mécanismes de formation et l'origine de leur stabilité. Parmi les nanoparticules métalliques, le cobalt, avec sa structure hexagonale compact (hcp), est particulièrement intéressant pour la possibilité d'obtenir des nanocristaux de forme "naturellement" anisotropique. Par synthèse chimique en milieu liquide, des NPs de différentes morphologies telles que des disques, des plaques, des bâtonnets, des fils et des cubes ont été obtenues en contrôlant le type de précurseur, de l'agent réducteur, des ligands stabilisants, ainsi que la concentration de ces ligands, la température ou la vitesse d'injection des précurseurs. Même si ces conditions de synthèse ont été rationalisées, les mécanismes à l'origine de ces différentes morphologies ne sont pas encore bien connus. Dans ce travail, nous avons développé deux modèles quantitatifs pour la prédiction de la morphologie, l'un est basé sur l'équilibre thermodynamique de l'état final, et l'autre sur un contrôle par l'effet cinétique. Pour appliquer ces modèles, il a été nécessaire de calculer dans un premier temps, avec la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), les comportements d'adsorption des molécules ligands en fonction du taux de recouvrement sur les facettes de différentes orientations du métal. Pour ce faire, l'adsorption des ligands CH 3 NH 2 , CH 3 COO, C 5 H 11 COO et C 11 H 23 COO a été modélisée sur les différentes surfaces de Co et de Ni. La morphologie des NPs de Co prédite par ces deux modèles a été comparée à celles obtenues expérimentalement et à d'autres résultats théoriques de la littérature. La variété des formes obtenues par le modèle cinétique semblerait mieux correspondre aux NPs synthétisées avec les différentes conditions expérimentales. Ceci confirme que la morphologie des NPs est guidée avant tout par un effet cinétique.

Mots clés: Nanoparticle; Morphology; Thermodynamics, kinetics; DFT

Mots clés: Nanoparticules; Morphologie; Cinétique; Thermodynamique; DFT

Domaines: Physique Générale [physics.gen-ph]

van Bac Nguyen. Predicting metallic nanoparticle morphologies from DFT calculations of surface-ligand interactions. General Physics [physics.gen-ph]. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2016. English. ⟨NNT : 2016TOU30299⟩. ⟨tel-01688076⟩