Nanoparticles are of great interest because of their surface-to-volume ratio as well as unique/outstanding properties, which can be applied to a broad range of applications such as nanoparticle-based catalysts, energy storage materials, optical device, and bio-sensors. The studies on various methodologies have been extensively explored for the fabrications of nanoparticle superlattices (the highly regular arrangement of nanoparticles). Recently, their new unique and emergent properties have been reported when the nanoparticles assembled into superlattices. Their properties are also dependent on the symmetry of nanoparticle superlattices. The symmetry transition of nanoparticles depending on environmental conditions can be an excellent ground for making new stimuli-responsive functional materials. In other words, the fabrication and control for the nanoparticle superlattices are essentially required to open up new possibilities for next-generation nanodevices. This dissertation reports a spherical micelle-assisted method to form exceptionally ordered nanoparticle superlattices, which are inherently sensitive to environmental conditions. Upon mixing functionalized gold nanoparticles (AuNPs) with a nonionic surfactant spherical micellar solution, nanoparticle superlattices of different symmetries such as NaZn13, MgZn2, and AlB2-type are formed depending on the size ratio and composition ratio between micelles and functionalized AuNPs. The nanoparticle superlattices formed by the spherical micelle-assisted method show thermally reversible order-order (NaZn13–AlB2) and order-disorder (MgZn2–isotropic) symmetry transitions, which are consistent with the Gibbs free energy calculations for binary hard-sphere model. The approaches may open up new possibilities for other metallic, semiconducting and magnetic nanoparticle systems, which can be used in a variety of applications.
나노입자는 부피에 대한 높은 면적비와 독특하고 뛰어난 특성으로 인해 큰 관심을 받고 있으며, 나노입자를 기반으로 한 촉매 물질, 에너지 저장 소재, 광학 소자 및 바이오 센서 등 과 같은 광범위한 응용분야에 활용될 수 있다. 나노입자가 규칙적으로 배열되어 형성된 초격자체를 제조하는 다양한 방법론에 대한 연구가 집중적으로 이루어졌으며, 최근에는 제조된 나노입자 초격자체의 높은 물리적 특성, 새로운 특성에 대한 연구가 보고 되고 있다. 또한 나노입자의 구성성분 외에도 격자구조에 따라 다른 특성이 발현하는 것으로 알려져 있다. 외부 환경 조건에 따른 나노입자 초격자체의 구조변화는 새로운 자극 응답성 기능성 물질 제조를 위한 훌륭한 발판이 될 수 있다. 즉, 차세대 나노소자의 새로운 가능성을 열어줄 수 있다는 측면에서 나노입자 초격자체 제조 및 제어 기술은 필수적이다. 본 학위논문에서는 계면활성제 마이셀을 이용하여 외부 환경에 민감하고 고도로 정렬된 나노입자 초격자체를 제조하는 새로운 방법을 보고하였다. 기능화 된 금 나노입자와 비이온성 계면활성제 구형 마이셀 용액을 균일하게 혼합하면, 마이셀과 기능화 된 금 나노입자 간 크기비와 조성에 따라 $NaZn_{13}$, $MgZn_2$ 및 AlB2 타입 구조와 같은 다른 대칭성을 가진 나노입자 초격자체가 형성된다. 구형 마이셀을 이용한 방법에 의해 형성된 나노입자 초격자체는 열적으로 가역적인 order-order (NaZn13-AlB2) 및 order-disorder (MgZn2- isotropic) 구조 전이를 나타났으며, 이는 이성분계 강구체 모델에 대한 깁스 자유 에너지 계산과 일치한다. 이러한 접근법은 다른 금속, 반도체, 자성 나노입자 시스템에 새로운 가능성을 열어주며, 다양한 응용 분야에도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
