Complex materials via colloidal crystallization

The work presented in this thesis deals with complex materials, which were obtained by self-assembly of monodisperse colloidal particles, also called colloidal crystallization. Two main fields of interest were investigated, the first dealing with the fabrication of colloidal monolayers and nanostructures, which derive there from. The second turned the focus on the phononic properties of colloidal particles, crystals, and glasses. For the fabrication of colloidal monolayers a method is introduced, which is based on the sparse distribution of dry colloidal particles on a parent substrate. In the ensuing floating step the colloidal monolayer assembles readily at the three-phase-contact line, giving a 2D hexagonally ordered film under the right conditions. The unique feature of this fabrication process is an anisotropic shrinkage, which occurs alongside with the floating step. This phenomenon is exploited for the tailored structuring of colloidal monolayers, leading to designed hetero-monolayers by inkjet printing. Furthermore, the mechanical stability of the floating monolayers allows the deposition on hydrophobic substrates, which enables the fabrication of ultraflat nanostructured surfaces. Densely packed arrays of crescent shaped nanoparticles have also been synthesized. It is possible to stack those arrays in a 3D manner allowing to mutually orientate the individual layers. In a step towards 3D mesoporous materials a methodology to synthesize hierarchically structured inverse opals is introduced. The deposition of colloidal particles in the free voids of a host inverse opal allows for the fabrication of composite inverse opals on two length scales. The phononic properties of colloidal crystals and films are characterized by Brillouin light scattering (BLS). At first the resonant modes of colloidal particles consisting of polystyrene, a copolymer of methylmethacrylate and butylacrylate, or of a silica core-PMMA shell topography are investigated, giving insight into their individual mechanical properties. The infiltration of colloidal films with an index matching liquid allows measuring the phonon dispersion relation. This leads to the assignment of band gaps to the material under investigation. Here, two band gaps could be found, one originating from the fcc order in the colloidal crystal (Bragg gap), the other stemming from the vibrational eigenmodes of the colloidal particles (hybridization gap).Die hier vorgestellte Arbeit beschäftigt sich mit der Darstellung komplexer Materialien, welche durch Selbstorganisation monodisperser, kolloidaler Partikel erzeugt werden können. Dies wird auch als Kolloidkristallisation bezeichnet. Die Arbeit teilt sich in zwei Bereiche: Der erste Teil beschäftigt sich mit der Herstellung von kolloidalen Monolagen und davon ableitbaren Nanostrukturen. Der zweite Teil richtet den Fokus auf die phononischen Eigenschaften kolloidaler Teilchen, Kristalle und Filme. Zuerst wird eine Methode zur Darstellung kolloidaler Monolagen vorgestellt, die auf der Verteilung einzelner, trockener Kolloide auf einem Hilfssubstrate beruht. Im anschließenden Abschwemm-Schritt bildet sich spontan eine hochgeordnete kolloidale Monolage, durch Selbstorganisation der einzelnen Partikel an der drei-Phasen-Grenzlinie (Wasser-Luft- Substrat). Eine besondere Eigenschaft dieser Methode ist, dass der ungeordnete Film während des Abschwemmschrittes anisotrop, nämlich nur in Richtung des eintauchenden Hilfssubstrates schrumpft. Dieses Phänomen konnte zum Strukturieren von Hetero-Monolagen durch vorheriges Inkjet-Drucken ausgenutzt werden. Die schwimmenden Monolagen sind mechanisch überaus stabil und können dadurch auf hydrophobe Substrate übertragen werden, wodurch ultraflache, lateral nanostrukturierte Oberflächen herstellbar sind. Weiterhin konnten Gold-Nanohörnchen in dicht gepackten Schichten erzeugt werden. Stapeln derartiger Schichten erlaubt es einen relativen Winkel zwischen den Strukturen der einzelnen Schichten einzustellen. Weiterhin wird eine Methode zur Erzeugung dreidimensionaler mesoporöser Netzwerke vorgestellt, die die Synthese hierarchischer Strukturen erlaubt. Die Abscheidung kolloidaler Partikel in den offenen Löchern eines vorgegebenen inversen Opales ermöglicht die Herstellung von Kompositmaterialien auf zwei Längenskalen (µm und 100 nm). Die phononischen Eigenschaften von kolloidalen Kristallen und Filmen wurden mittels Brillouin Lichtstreuung (BLS) charakterisiert. Zuerst wurden die Eigenschwingungen kolloidaler Partikel (Polystyrol, Polymethlymethacrylate und -butylacrylate Copolymer sowie Silika Kern - PMMA Schale) untersucht, woraus auf deren individuelle mechanischen Eigenschaften zurückgeschlossen werden kann. Durch Angleichen des Brechungsindex in Material und Matrix mittels Infiltration mit einer Flüssigkeit, können Dispersionsdiagramme gemessen werden, wodurch dem Material phononische Bandlücken zugeordnet werden können. In dieser Arbeit wurden zwei Bandlücken gefunden, nämlich eine Bragg-Lücke (durch die hexagonale Ordnung im Kristall) und eine „Hybridisierungslücke“ (durch die Eigenschwingung der kolloidalen Partikel)