Determining the Composite Structure of Au-Fe-Based Submicrometre Spherical Particles Fabricated by Pulsed-Laser Melting in Liquid

Abstract

Submicrometre spherical particles made of Au and Fe can be fabricated by pulsed-laser melting in liquid (PLML) using a mixture of Au and iron oxide nanoparticles as the raw particles dispersed in ethanol, although the detailed formation mechanism has not yet been clarified. Using a 355 nm pulsed laser to avoid extreme temperature difference between two different raw particles during laser irradiation and an Fe2O3 raw nanoparticle colloidal solution as an iron source to promote the aggregation of Au and Fe2O3 nanoparticles, we performed intensive characterization of the products and clarified the formation mechanism of Au-Fe composite submicrometre spherical particles. Because of the above two measures (Fe2O3 raw nanoparticle and 355 nm pulsed laser), the products—whether the particles are phase-separated or homogeneous alloys—basically follow the phase diagram. In Fe-rich range, the phase-separated Au-core/Fe-shell particles were formed, because quenching induces an earlier solidification of the Fe-rich component as a result of cooling from the surrounding ethanol. If the particle size is small, the quenching rate becomes very rapid and particles were less phase-separated. For high Au contents exceeding 70% in weight, crystalline Au-rich alloys were formed without phase separation. Thus, this aggregation control is required to selectively form homogeneous or phase-separated larger submicrometre-sized particles by PLML.

Room temperature synthesized solid solution AuFe nanoparticles and their transformation into Au/Fe Janus nanocrystals

“…In the phase diagram, the solubility of Fe in Au is extremely low with a limit of 1-2 mass% at 25°C. 32 Nonetheless, solid solutions of Fe and Au can be prepared by non-equilibrium techniques like gas phase condensation 33,34 and pulsed laser ablation in liquids. [35][36][37] In the present study, we have described the synthesis of AuFe solid solution nanocrystals, for the first time under ambient conditions, using the methods of colloidal chemistry.…”

Изучение Свойств Сплава Золото-Железо В Макро- И Нанокристаллических Состояниях В Различных P-T-Условиях

“…Твердый раствор замещения Au−Fe имеет уникальные физические свойства, которые востребованы как в науке, так и в технике [1][2][3]. Благодаря исключительной биосовместимости и благоприятным физическим свойствам наночастицы Au−Fe находят различные применения и в медицинских науках [4].…”

“…Благодаря исключительной биосовместимости и благоприятным физическим свойствам наночастицы Au−Fe находят различные применения и в медицинских науках [4]. Именно поэтому этот сплав активно изучается как экспериментально [1][2][3]5,6], так и теоретически [7][8][9][10].…”

“…Это обусловлено тем, что экспериментальное изучение размерных зависимостей свойств нанокристалла (как однокомпонентного, так и многокомпонентного вещества) проводят, как правило, в изобарических условиях, т. е. когда давление в системе постоянно: P = const [1][2][3]. Вместе с тем теоретические расчеты проводят, в большинстве работ, для изохорического процесса, т. е. при постоянной плотности нанокристалла: R = const [8][9][10].…”

“…Толстые линии 1, 3, 5изотермы T = 500, 300, 100 K для макрокристалла (N = ∞). Тонкие линии 2, 4, 6 -изотермы T = 500, 300, 100 K для нанокристалла кубической формы из N = f N3 po /α = 306 атомов (т. е. N po = 6, f = 1, k * n = 0.8822). На рис.…”