Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their...

17
Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals: Synthesis, structural characterization and magnetic properties D. Hudry ( ), J.-C. Griveau ( ), C. Apostolidis, O. Walter, E. Colineau, G. Rasmussen, D. Wang, V. S. K. Chakravadhaluna, E. Courtois, C. Kübel, D. Meyer Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-013-0379-6 http://www.thenanoresearch.com on October 22, 2013 © Tsinghua University Press 2013 Just Accepted This is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by the peerreview process and has been accepted for publication. A “Just Accepted” manuscript is published online shortly after its acceptance, which is prior to technical editing and formatting and author proofing. Tsinghua University Press (TUP) provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available to the research community as soon as possible after acceptance. After a manuscript has been technically edited and formatted, it will be removed from the “Just Accepted” Web site and published as an ASAP article. Please note that technical editing may introduce minor changes to the manuscript text and/or graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®), which is identical for all formats of publication. Nano Research DOI 10.1007/s1227401303796

Transcript of Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their...

Page 1: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

Nano Res 

1

Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals: Synthesis,

structural characterization and magnetic properties D. Hudry (), J.-C. Griveau (), C. Apostolidis, O. Walter, E. Colineau, G. Rasmussen, D. Wang, V. S. K.Chakravadhaluna, E. Courtois, C. Kübel, D. Meyer Nano Res., Just Accepted Manuscript • DOI: 10.1007/s12274-013-0379-6

http://www.thenanoresearch.com on October 22, 2013

© Tsinghua University Press 2013

Just Accepted  

This  is a “Just Accepted” manuscript, which has been examined by  the peer‐review process and has been 

accepted  for  publication. A  “Just Accepted” manuscript  is  published  online  shortly  after  its  acceptance, 

which  is prior  to  technical  editing  and  formatting  and  author proofing. Tsinghua University Press  (TUP) 

provides “Just Accepted” as an optional and free service which allows authors to make their results available 

to  the  research  community  as  soon  as possible  after  acceptance. After  a manuscript has  been  technically 

edited  and  formatted,  it will  be  removed  from  the  “Just Accepted” Web  site  and published  as  an ASAP 

article.  Please  note  that  technical  editing  may  introduce  minor  changes  to  the  manuscript  text  and/or 

graphics which may affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain. In no event 

shall TUP be held responsible for errors or consequences arising from the use of any information contained 

in these “Just Accepted” manuscripts. To cite this manuscript please use its Digital Object Identifier (DOI®), 

which is identical for all formats of publication. 

 

 

 

Nano Research  DOI 10.1007/s12274‐013‐0379‐6 

Page 2: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

1

TABLE OF CONTENTS (TOC)

Thorium / Uranium Mixed Oxide Nanocrystals:

Synthesis, Structural Characterization and Magnetic

properties.

D. Hudry*(1), J.- C. Griveau*(1), C. Apostolidis(1), O.

Walter(1,6), E. Colineau(1), G. Rasmussen(1), D. Wang(2,3),

V. S. K. Chakravadhaluna(2,4), E. Courtois(2), C.

Kübel(2,3), D. Meyer(5)

(1) European Commission: Joint Research Centre,

Institute for Transuranium Elements, P. O. Box 2340,

76125 Karlsruhe, Germany.

(2) Karlsruhe Institute of Technology, Institute of

Nanotechnology, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1,

76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany.

(3) Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe Nano

Micro Facility, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344

Eggenstein-Leopoldshafen, Germany.

(4) Helmholtz Institute Ulm for Electrochemical Energy

Storage, Albert-Einstein-Allee 11, 89069 Ulm,

Germany.

(5) Institut de Chimie Séparative de Marcoule, UMR

5257, BP 17171, 30207 Bagnols sur Cèze Cedex,

France.

(6) Karlsruhe Institute of Technology, Institute for

Catalysis Research and technology,

Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344

Eggenstein-Leopoldshafen, Germany.

We report on the non-aqueous synthesis of Th1-xUxO2 nanocrystals by the

controlled hot co-injection of Th(acac)4 and UO2(OAc)2.2H2O in a highly

coordinating organic medium. The synthesis, structure and magnetic

properties of the as-prepared nanocrystals are investigated.

D. Hudry, www.hudry.weebly.com

Page 3: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

2

Thorium / Uranium mixed oxide nanocrystals: synthesis, structural characterization and magnetic properties.

D. Hudry1 (), J.- C. Griveau1 (), C. Apostolidis1, O. Walter1, 6, E. Colineau1, G. Rasmussen1, D. Wang2,3, V. S. K. Chakravadhaluna2,4, E. Courtois2, C. Kübel2,3, D. Meyer5 1 European Commission: Joint Research Centre, Institute for Transuranium Elements, P. O. Box 2340, 76125 Karlsruhe, Germany. 2 KIT, Institute of Nanotechnology, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344 Eggenstein-Leopoldshafen, Germany. 3Karlsruhe Institute of Technology, Karlsruhe Nano Micro Facility, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344

Eggenstein-Leopoldshafen, Germany. 4 Helmholtz Institute Ulm for Electrochemical Energy Storage, Albert-Einstein-Allee 11, 89069 Ulm, Germany. 5 Institut de Chimie Séparative de Marcoule, UMR 5257, BP 17171, 30207 Bagnols sur Cèze Cedex, France. 6 Karlsruhe Institute of Technology, Institute for Catalysis Research and technology, Hermann-von-Helmholtz-Platz 1, 76344

Eggenstein-Leopoldshafen, Germany.

Received: day month year / Revised: day month year / Accepted: day month year (automatically inserted by the publisher) © Tsinghua University Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011

 

ABSTRACT   One of  the primary aims of  the actinide community within nanoscience  is  to develop a good understanding 

similar  to what  is  currently  done with  stable  elements.  As  a  consequence,  efficient,  reliable  and  versatile 

synthesis  techniques  dedicated  to  the  formation  of  new  actinide‐based  nano‐objects  (e.g.  nanocrystals)  are 

necessary. Hence, a ʺlibraryʺ dedicated to the preparation of various actinide‐based nanoscale building blocks is 

currently  developed. Nanoscale  building  blocks with  tunable  sizes,  shapes  and  compositions  are  of  prime 

importance.  So  far,  the  non‐aqueous  synthesis  method  in  highly  coordinating  organic  media  is  the  only 

approach  which  has  demonstrated  the  capability  to  provide  size  and  shape  control  of  actinide‐based 

nanocrystals (both  for  thorium, uranium and recently extended  to neptunium and plutonium).  In  this paper, 

we demonstrated that the non‐aqueous approach  is also well adapted to control the chemical composition of 

the  nanocrystals  when  mixing  two  different  actinides.  Indeed,  the  controlled  hot  co‐injection  of  thorium 

acetylacetonate and uranyl acetate (together with additional capping agents) into benzyl ether can be used to 

synthesize thorium / uranium mixed oxide nanocrystals covering the full compositional spectrum. Additionally, 

we  found  that  both  size  and  shape  are modified  as  a  function of  the  thorium  – uranium  ratio.  Finally,  the 

magnetic properties of the different thorium / uranium mixed oxide nanocrystals were investigated. Contrary 

to several reports, we did not observe any ferromagnetic behavior. As a consequence, ferromagnetism cannot 

be described as a universal feature of nanocrystals of non‐magnetic oxides as recently claimed in the literature. 

 

KEYWORDS   thorium, uranium, mixed oxide, non‐aqueous synthesis, nanoparticle, nanocrystal, magnetism

Nano Res  DOI (automatically inserted by the publisher) Review Article/Research Article  Research Article 

Page 4: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

3

1 Introduction 

Nanocrystals  (NCs)  represent  fundamental 

building blocks in nanoscience and nanotechnology. 

The small size of NCs modifies  their physical and 

chemical properties and size and shape effects are 

generally observed at  the nanoscale  [1‐3]. Another 

important  feature  characterizing NCs  is  related  to 

their  high  surface‐to‐volume  ratio.  Consequently 

and compared to bulk materials, surface effects are 

not  negligible  anymore  [4].  Hence,  NCs  in  the 

range of few to tens of nanometers exhibit unusual 

properties which are different  to  the ones of  their 

bulk  counterparts  [5].  Investigating  the 

fundamental  chemical  and  physical  properties  of 

these nanoscale building blocks opens up  the way 

to  the  design  of  functional  nanomaterials  with 

innovative  properties  and  high  expectations  in 

fields as diverse as electronic and optoelectronic [6], 

energy  conversion  [7,  8], magnetic  storage  [9],  or 

nanomedicine [8, 10‐12]. 

Investigations  and  developments  related  to  NCs 

have  reached  a  high  level  of  understanding  and 

complexity with stable elements. For example,  the 

synthesis  of NCs with  tunable  sizes,  shapes  and 

compositions is easily achievable for a wide variety 

of  compounds  (chalcogenides,  transition  metal 

oxides,  noble  metals  and  lanthanide‐based 

compounds) [13‐17]. The self‐assembly of NCs into 

superlattices is also under investigation in order to 

take  advantage  of  both  individual  and  collective 

properties  of  NCs  due  to  their  periodic 

arrangement  [18‐20]. Finally, over  the  last decade, 

doped NCs have received a growing interest due to 

the  possibility  to  see  the  emergence  of  new 

properties [21‐24]. All these fields are under active 

investigations  all  around  the world  and  stimulate 

interactions  between  disciplines  as  diverse  as 

physics,  chemistry,  biology  and  engineering. 

Comparatively, much less efforts have been done in 

nanoscience within the actinide community [25, 26]. 

On  one  side,  this  is  understandable when  taking 

into  consideration  difficulties  in  handling 

radioactive  elements  and  in  particular 

transuranium  elements which  requires  the  use  of 

dedicated  facilities.  Nevertheless,  whereas  some 

efforts  have  been  done  in  the  fields  of 

actinide‐based  colloids  and  molecular  clusters 

[27‐31],  very  little  is  known  on  the  controlled 

synthesis of actinide‐based NCs. Various methods, 

mainly dedicated to uranium oxide NCs, have been 

reported without any further development [32‐35]. 

The  first  controlled  synthesis  of  uranium  oxide 

NCs has been proposed by Cao  in 2006 according 

to a non‐aqueous technique in highly coordinating 

organic media [36]. The latter constitutes one of the 

best methods  towards  the  controlled  synthesis  of 

NCs with  tunable  sizes,  shapes and  compositions. 

This  non‐aqueous  technique  has  been  developed 

and  applied  to  the  synthesis  of  thorium  oxide 

nanocrystals  [37].  The  technique  was  further 

successfully  extended  to  the  first 

transuranium‐based NCs (NpO2) [Hudry et al. RSC 

Advances,  2013,  accepted  manuscript]. 

Actinide‐based  NCs  could  fill  the  gap  between 

molecular clusters, colloids and bulk materials and 

constitute  innovative  building  blocks  both  for 

applied and fundamental research. 

For  example,  the migration  of  radionuclides  (and 

particularly  actinides)  in  the  environment  is  of 

major concern for the safety assessment of nuclear 

waste  disposal  and  legacy  contamination  sites 

(nuclear  accidents  –  e.g.  Chernobyl,  Fukushima, 

atmospheric  nuclear weapon  testing).  It  has  been 

reported  that  plutonium  transport  through  the 

geosphere  is  much  faster  than  predicted  and 

colloidal  facilitated  transport  (with  the  potential 

formation of nanoparticles) has been  incriminated 

[38,  39].  Hence,  engineered  (i.e.  chemical 

composition,  surface  chemistry,  size  and  shape) 

actinide‐based  NCs  could  be  used  as  model 

systems.  Actinide‐based  NCs  and  particularly 

actinide  oxides  have  recently  been  proposed  as 

potential  ʺprecursorsʺ  to  synthesize  innovative 

nanostructured  nuclear  fuels  at  low  temperature 

[40] with  enhanced  properties  in  terms  of  safety. 

Finally,  it  has  recently  been  demonstrated  that 

core‐shell nanoparticles doped with  short half‐life 

alpha emitters (e.g. actinium‐225) are of interest for 

targeted  alpha  therapy  (TAT)  [41].  Additionally, 

thorium‐227 and uranium‐230 have been proposed 

as  potential  alpha  emitters  in  TAT  [42].  Hence, 

understanding the formation of NCs with thorium 

and  uranium  could  be  of  major  interests  in 

nanomedicine  (e.g.  short  half‐life  alpha  emitters 

doped NCs). 

Page 5: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

4

Table 1. Starting and final compositions of various mixed oxide (MOX) nanocrystals prepared in this study. 

  Starting Composition  Final Composition 

Sample U 

(mol. %) 

Th 

(mol. %) 

(mol. %) 

Th 

(mol. %) 

MOX‐1  0  100  0  100 

MOX‐2  4.5  95.5  7  93 

MOX‐3  9.5  90.5  12  88 

MOX‐4  19  81  28  72 

MOX‐5  50  50  58  42 

MOX‐6  72  28  70.5  29.5 

MOX‐7  100  0  100  0 

 

In  terms  of  fundamental  research,  it  would  be 

interesting to know whether size and shape effects 

can  give  rise  to  modified  or  new  properties  of 

actinide‐based  NCs  compared  to  their  bulk 

counterparts.  It  might  bring  new  insights 

concerning the solid state physics and the behavior 

of  5f  electrons  whose  nature  (i.e.  localized  vs. 

delocalized)  varies  throughout  the  actinide  series 

[43, 44]. 

In  this  article,  we  report  on  the  synthesis  of 

thorium  /  uranium  mixed  oxide  NCs,  Th1‐xUxO2 

(with  0    x    1).  A  hybrid  method  between 

heating‐up  and  hot  injection  [45,  46] was  used  in 

order  to  achieve  a  good  homogeneity  in  terms  of 

composition as well as size and shape distributions. 

The formation of mixed oxide NCs was studied by 

powder  x‐ray  diffraction  (PXRD),  transmission 

electron microscopy  (TEM)  techniques  as well  as 

by  global  and  local  chemical  analyses  at  the 

nanometer scale. The obtained data confirmed  the 

formation  of  mixed  oxide  NCs  over  the  entire 

range of  compositions. Additionally,  the magnetic 

properties  of  the  as‐prepared  NCs  have  been 

characterized  by  superconducting  quantum 

interference  device  (SQUID)  magnetometry. 

Contrary to several reports, we did not observe any 

ferromagnetic  behavior.  As  a  consequence, 

ferromagnetism cannot be described as a universal 

feature of NCs of non‐magnetic oxides as  recently 

claimed in the literature [47, 48]. 

 

2 Results and discussion 

In previous  articles dedicated  to  the non‐aqueous 

synthesis of pure thorium and uranium oxide NCs 

in highly  coordinating  organic media,  it has  been 

shown  that  the reactivity of  thorium and uranium 

precursors  is  significantly  different  and  hence 

influences  the  final  characteristics  (i.e.  size  and 

shape)  of  the  as‐prepared  NCs  [37,  49].  Such  a 

feature can be a major drawback when considering 

the  formation  of  mixed  oxide  NCs.  In  order  to 

reach a homogeneous distribution of  thorium and 

uranium  in  the NCs,  kinetics  of  reaction must  be 

similar.  Indeed,  in  case  the  generation  of  active 

thorium  and  uranium  monomers  (i.e.  chemical 

species  involved  to  build  up  the  oxide  network) 

would be characterized by kinetic constants which 

are too different, various nucleation steps might be 

involved. Consequently, such an effect would  lead 

to a phase segregation. To minimize such a kinetic 

effect,  we  modified  the  controlled  hot  injection 

technique which is usually applied to the growth of 

core‐shell NCs  [50]. Nevertheless,  contrary  to  the 

synthesis  of  core‐shell  NCs,  the  main  idea  is  to 

trigger  a  homogeneous  nucleation  step  by  slowly 

increasing the concentration of active thorium‐ and 

uranium‐based  monomers.  Because  thorium  and 

uranium  oxides  crystallize  within  the  same 

crystallographic  structure  (fluorite‐type)  and  only 

exhibit  a  small  cell  parameter  difference  (<  5%), 

enough  material  of  both  thorium  and  uranium 

should be available to induce the formation of NCs 

with a homogeneous chemical composition. In our 

experiments,  we  apply  the  controlled  hot 

co‐injection of  a mixture of  thorium  and uranium 

precursors in a hot solvent. 

 

Page 6: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

5

 

edcba

fg

20 40 60 80 100 120

I /

a.u

.

2 / �

a

c

e

g

b

d

f

h(111)

(200)(220)(311)

40 45 50 55 602 / �

 Figure 1. Powder x-ray diffraction (PXRD) patterns (left panel) and selected area electron diffraction (SAED) patterns (right panel) of various thorium / uranium mixed oxide (MOX) nanocrystals synthesized by the controlled hot co-injection technique a) MOX-1, b) MOX-2, c) MOX-3, d) MOX-4, e) MOX-5, f) MOX-6, g) MOX-7. The inset (left panel) shows an enlargement of the 2 theta area between 40° - 60°: MOX-1 (blue), MOX-2 (cyan), MOX-3 (black), MOX-4 (violet), MOX-5 (orange), MOX-6 (red), MOX-7 (green). Tick-marks indicate bulk thorium dioxide (green) and bulk uranium dioxide (magenta) Bragg peaks positions. The scheme (h) shows the indexation of the SAED patterns.  

Therefore,  thorium  acetylacetonate  (Th(acac)4)  and 

uranyl  acetate  (UO2(OAc)2.2H2O)  are dissolved  in  a 

mixture  composed  of  oleic  acid  (OA), 

tri‐n‐octylamine  (N(Oct)3),  tri‐n‐octyplhosphine 

oxide  (OP(Oct)3)  and  benzyl  ether  (BnOBn).  The 

resulting mixture (kept at room temperature) is then 

slowly injected in BnOBn maintained at 260°C. After 

injection,  the  resulting  solution  is kept  at  260°C  for 

additional aging. During  that  time,  the hot  solution 

gradually  turns  from  colorless  (i.e. pure BnOBn)  to 

light yellow  and  finally  to black‐brown  (depending 

on  the  starting  uranium  concentration). When  the 

thorium precursor  is  injected without uranium,  the 

solution  only  turns  from  colorless  to  deep  yellow. 

Different  mixed  oxide  (MOX)  samples  were 

prepared  with  various  starting  thorium  /  uranium 

ratios  reported  in Table  1. Additionally, Table S1  in 

the  Electronic  Supplementary  Material  (ESM) 

provides  an  overview  of  the  global  chemical 

composition  (i.e.  molar  quantities  of  the  actinide 

precursors and organics)  for each MOX sample. For 

simplicity  the  samples  will  be  referred  to  in  the 

manuscript as MOX‐X (with X = 1, 2, 3, 4, 5, 6 or 7). 

 

2.1 Structural characterization 

The PXRD patterns of the different MOX samples are 

given in Fig. 1 (left panel) as well as the Bragg peak 

positions  (tick‐marks  in Fig. 1) of bulk  thorium and 

uranium  dioxides.  Although  the  peaks  are  very 

broad  (due  to  the  small  size  of  the  crystallites),  all 

MOX  samples  are  very  well  crystallized.  Indeed, 

Bragg reflections are visible in a wide 2 range (up to 120°). All PXRD patterns have been  fitted using  the 

Rietveld method with  the bulk structure of  thorium 

dioxide.  The  detailed  results  of  the  Rietveld 

refinements are given in the supporting information 

(Figures  S1  to  S7  and  Table  S2  in  the  ESM).  Bulk 

thorium  and  uranium  dioxides  crystallize  in  the 

fluorite  structure  (space  group  Fm‐3m)  with  a 

slightly different  cell parameter namely  5.61  Ǻ  and 

5.43  Ǻ  respectively.  In  the  elementary  cell, 

thorium/uranium  and  oxygen  atoms  are  placed  on 

Page 7: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

6

the  4a  or  8c  special  positions  (0/0/0;  0.25/0.25/0.25), 

respectively. As a consequence, only few parameters 

can  be  refined.  In  our  case,  additionally  to  the 

classical  parameters  (i.e.  polynomial  terms  for  the 

background and scale factor), only parameters with a 

physical  meaning  have  been  refined:  the  cell 

parameter  (a),  the  crystallite  size  (according  to  the 

fundamental approach [51]) and the isotropic atomic 

displacement  parameters  (Uiso).  The  site  occupancy 

of  the  4a  position  (i.e.  Th/U  position)  cannot  be 

refined  because  the  atomic  diffusion  factors  of 

thorium and uranium are  too close.  In other words, 

x‐rays  are not  suitable  to distinguish  thorium  from 

uranium. As a consequence, the site occupancy of the 

4a position cannot be used to validate the formation 

of  a  solid  solution.  The  final  composition  of  the 

different  MOX  samples  and  particularly  the  Th:U 

ratio was determined by inductively coupled plasma 

mass  spectrometry  (ICP‐MS)  and  the  results  are 

given  in  Table  1.  The  final  composition  slightly 

differs  from  the  nominal  one  revealing  slight 

differences between thorium and uranium reactivity. 

Nevertheless,  these  results  give  an  accurate  idea 

about  the  total  thorium  and  uranium  contents  for 

each  MOX  sample  and  were  used  to  plot  the 

evolution of the cell parameter (i.e. a) as a function of 

the  uranium  content  (Fig.  2).  The  cell  parameter 

follows  a  linear  evolution  over  the  total  range  of 

composition (i.e. from 0 mol.% of uranium up to 100 

mol.%).   

 

0 20 40 60 80 1005.42

5.44

5.46

5.48

5.50

5.52

5.54

5.56

5.58

5.60

5.62

cell

para

met

er /

U content / mol. %

MOX-1 MOX-2 MOX-3 MOX-4 MOX-5 MOX-6 MOX-71.0

1.5

2.0

2.5

3.0

FW

HM

/ �

0

20

40

60

80

100

U c

onte

nt /

mol

. %

 Figure 2. Evolution of the cell parameter of the fluorite structure as a function of the uranium content determined by ICP-MS analysis of the as prepared thorium / uranium mixed oxide (MOX) nanocrystals. The inset shows the evolution of the full width at the half maximum (FWHM) of the (220) reflection of the as-prepared MOX nanocrystals and their corresponding uranium content.

According  to  Vegard’s  law,  the  average  parameter 

should  vary  linearly  with  dopant  concentration  in 

the  crystal  and  deviations  from  linearity  are 

indications  of  phase  transitions  or  segregation  (i.e. 

distinct phases). Because the Bragg peaks in XRD are 

very broad, electron diffraction (ED) was used as an 

additional  proof  to  exclude  significant  amounts  of 

homo metal oxides. Because of the short wavelength 

of  the  electrons,  the  electron  diffraction  pattern  is 

sharper  and  a  superposition  of  different 

nanocrystalline phases will be easier to detect by ED 

than by PXRD. The selected area electron diffraction 

(SAED)  patterns  of  the MOX  samples  are  given  in 

Fig. 1 (right panel). All SAED patterns were indexed 

with  the FCC structure  in good agreement with  the 

bulk  structure  of  AnO2  (An  =  Th,  U).  The  (220) 

reflection  is particularly  interesting because  it  is  the 

main non‐overlapped reflection with a high intensity. 

For  all  MOX  samples,  the  intensity  of  the  (220) 

reflection  is  homogenous  and  no  splitting  can  be 

seen,  thus  supporting  the  conclusion  of  the 

formation  of  thorium  /  uranium mixed  oxide NCs 

without  any  significant  phase  segregation. Another 

interesting  feature  from  both  the  PXRD  and  SAED 

patterns  is  related  to  the width  of  the Bragg peaks 

(x‐rays) or  electron diffraction  rings  (electrons). For 

example  in  the case of PXRD,  the  full width at half 

maximum of  the  (220)  reflection  is plotted  in Fig. 2 

(inset)  and  clearly  indicates  that  the  higher  the 

uranium  content  the  sharper  the  peaks.  A  similar 

feature is observed with the (220) electron diffraction 

ring. As a consequence, when adding uranium to the 

reactive mixture which contains thorium, bigger NCs 

are obtained. 

To  determine  the  size  and  shape  distributions,  all 

MOX  NCs  were  characterized  by  transmission 

electron microscopy (TEM). Panels in Fig. 3 show the 

scanning  transmission  electron microscopy  (STEM) 

images (Fig. 3a) along with the transmission electron 

microscopy  (TEM)  images  (Fig.  3b)  and  high 

resolution TEM (HRTEM) images (Fig. 3c) as well as 

the  energy‐dispersive  x‐ray  spectroscopy  (EDX) 

spectra (Fig. 3d) of the as‐prepared MOX samples. 

The HRTEM pictures (Fig. 3c1 to 3c7) indicate that the 

NCs are highly crystalline. Concerning MOX‐X (X = 4, 

5,  6  and  7)  samples,  all  prepared  NCs  are  single 

domain (Fig. 3c4 to 3c7). 

Page 8: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

7

0 5 10 15 20

Energy / keV

0 5 10 15 20

Energy / keV

0 5 10 15 20

Energy / keV

0 5 10 15 20

Energy / keV

0 5 10 15 20

Energy / keV

a1 b1 c1 d1

a2 b2 c2 d2

a3 b3 c3 d3

a4 b4 c4 d4

a5 b5 c5 d5

a6 b6 c6 d6

a7 b7 c7 d7

Th

oriu

m co

nten

t

0 5 10 15 20

Energy / keV

0 5 10 15 20

Energy / keV

Figure 3. The panels show STEM images (a1-a7), TEM images (b1-b7), HRTEM images (c1-c7) and EDX spectra of individual nanocrystals (d1-d7) of thorium / uranium mixed oxide (MOX) nanocrystals synthesized by the controlled hot co-injection in BnOBn (260°C) of Th(acac)4 and UO2(OAc)2.2H2O solved in a mixture of OA, N(Oct)3, OP(Oct)3 and BnOBn (RT). Each row represents the full TEM characterization (i.e. STEM, TEM, HRTEM and EDX) of a sample with a given thorium/uranium composition. The thorium content increases from the bottom to the top. Color code used for the EDX spectra: thorium (blue), uranium (green), oxygen (yellow), copper from the support grid (red) and silicon as an impurity on the support grid (orange). 

Page 9: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

8

In case of  the MOX‐1 sample,  the nanowires consist 

of  extended domains  along  the wire  axis,  but  only 

few nanowires are single domain (Fig. 3c1). Analysis 

of  the  STEM  images  enables  easy  extraction  of 

information  concerning  the  size  and  shape 

distributions. In case of pure thorium oxide (MOX‐1 

sample,  Fig.  3a1),  the  as‐prepared  NCs  are  highly 

anisotropic  nanowires.  Although  we  previously 

reported  such  a  feature  [49]  the  controlled  hot 

co‐injection  dramatically  changes  the  final 

characteristics of the NCs and particularly the aspect 

ratio between  the  long and short axes. Additionally, 

narrower size and shape distributions are observed. 

The mean size of the short length axis is 1.5  0.2 nm whereas  the mean size of  the  long axis  is 22.5  5.7 nm  (Fig.  4a).  It has  to be noticed  that  although  the 

shape distribution is much better with the controlled 

hot  co‐injection  technique  compared  to  the 

heating‐up  technique,  it  is not perfect yet.  Indeed, a 

few small dog‐bones like thorium oxide nanocrystals 

were  also  observed  (Fig.  S8  in  the  ESM). Adding small  quantities  of  uranium  during  the  controlled 

hot  injection  is  sufficient  to  prevent  the  growth  of 

anisotropic NCs.  Indeed, when co‐injecting 4.5 mol. 

% of uranium and 95.5 mol. % of  thorium,  isotropic 

NCs  are  obtained  (Fig.  3a2)  although  a  negligible 

percentage  (<  1  %)  of  elongated  particles  is  still 

visible. The TEM and HRTEM  images  (Fig. 3b2 and 

3c2)  clearly  show  that  the  as‐prepared  NCs  are 

characterized  by  highly  irregular  shapes.  Despite 

that,  the NCs  are  essentially  single  crystalline  (Fig. 

3c2). Slightly increasing the uranium content (9.5 mol. 

% of uranium) induces the formation of similar NCs 

(Fig. 3a3, 3b3, 3c3) without any evidence of nanowires 

(Fig.  S10  in  the  ESM).  Additionally,  the  size 

distribution  is  improved  compared  to MOX‐2  (Fig. 

4b and 4c). The co‐injection of 19 mol.% of uranium 

and 81 mol.% of thorium still induces the formation 

of  isotropic  NCs  (Fig.  3a4).  Nevertheless,  the 

as‐prepared NCs look like highly faceted. Compared 

to  the  samples  with  a  low  uranium  content  (i.e. 

MOX‐2 and MOX‐3), the NCs are characterized by a 

similar size with a mean Feret diameter of 6.9  1.4 nm (Fig. 4d). The corresponding shape distribution is 

homogeneous and only one population, without any 

evidence  of  anisotropic  NCs,  was  observed 

throughout the TEM grid (Fig. S11 in the ESM). 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

20

40

Num

ber

of p

artic

les

Feret's diameter / nm

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

50

100

Num

ber

of

part

icle

s

Feret's diameter / nm

0 1 2 3 4 50

20

40

60

80

Num

ber

of

part

icle

s

Short length axis / nm

0 10 20 30 40 500

10

20

30

Num

ber

of

part

icle

s

Long length axis / nm

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

100

200

Num

ber

of p

artic

les

Feret's diameter / nm

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

50

100

150

Num

ber

of

part

icle

s

Feret's diameter / nm0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0

50

100

150

200

250

Num

ber

of

part

icle

s

Feret's diameter / nm

a

c

b

d

fe

 Figure 4. Size distribution of thorium / uranium mixed oxide (MOX) nanocrystals synthesized by the controlled hot co-injection in BnOBn (260°C) of Th(acac)4 and UO2(OAc)2.2H2O solved in a mixture of OA, N(Oct)3, OP(Oct)3 and BnOBn (RT). a) MOX-1 according to the short and long (inset) axes, b) MOX-2, c) MOX-3, d) MOX-4, e) MOX-5, f) MOX-7. Because of the agglomerated nanocrystals for the MOX-6 sample, the corresponding size distribution is not available.

 

Increasing the uranium content up to 50 mol.% does 

not change the final characteristics of the as‐prepared 

NCs  (MOX‐5 sample, Fig. 3a5). The size distribution 

shows  slightly  bigger  NCs  with  a  mean  Feret 

diameter of 7.1  1.5 nm (Fig. 4e) whereas the shape 

is not altered and still homogeneous (Fig. S12 in the 

ESM). For a higher uranium content (MOX‐6 sample, 

72 mol.% of uranium) agglomerates of small NCs are 

obtained  (Fig.  3a6)  similar  to  the  formation of nano 

flowers  reported  for  In2O3  [52]  or Mn‐doped  ZnO 

NCs  [53]. Similarly  to  the others MOX  samples,  the 

size  and  shape  distribution  are  homogeneous  (Fig. 

S13 in the ESM). Nevertheless, in this particular case 

a  detailed  size  distribution  analysis  could  not  be 

performed  due  to  the  aggregation  of  the  primary 

particles.  Finally,  in  the  case  of  pure  uranium 

(MOX‐7 sample), highly monodisperse nanodots (Fig. 

3a7) with  a mean  Feret  diameter  of  10.7    0.6  nm (Figure  4f)  were  obtained.  The  STEM  data  clearly 

show  that  the  addition  of  uranium  prevents  the 

formation  of  anisotropic  NCs  in  favor  of  bigger 

isotropic ones.

Page 10: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

9

0 50 100 150 200 250 300-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

UO2 sc

UO2 nano

Th0.30

U0.70

O2 nano

Th0.42

U0.58

O2 nano

Th0.72

U0.28

O2 nano

ThO2 nano

ThO2 bulk

M/H

/ 1

0-3 e

mu.

mol

-1

T / K

31 K

a)

H = 70 kOe

0 10 20 30 40 50 60 70-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8-0.03

-0.02

-0.01

0.00

0.01

0.02

0.03 UO

2 nano

Th0.30

U0.70

O2 nano

Th0.42

U0.58

O2 nano

Th0.72

U0.28

O2 nano

ThO2 nano

/

emu.

g-1

H / kOe

b)

T = 5 k

/ e

mu.

g-1

H / kOe

Th0.72

U0.28

O2 nano

T = 5 K

 Figure 5. Magnetization measurements of the thorium / uranium mixed oxide (MOX) NCs. Figure 5a presents the molar magnetic response M/H = mol for all MOX samples at 70 kOe. References curves from UO2 single crystal (SC) and ThO2 powder (bulk) have been added for comparison. The magnetic transition is clearly visible at a temperature ~31 K for single crystal measurements. Neither anomaly nor magnetic features are observed on the NCs. We observe a progressive reduction of magnetization with Th doping from a Curie-Weiss like shape to a pure diamagnetic response for ThO2 based NCs. Th0.42U0.58O2 (MOX-5) NCs present an enhanced molar magnetic susceptibility while Th0.72U0.28O2 (MOX-4) NCs magnetic susceptibility crosses diamagnetic line above 150 K. Figure 5b presents the magnetization response with field at 5K. We do not observe any ferromagnetic features neither at low field nor at high field up to 70 kOe. Top left inset shows the hysteresis loop for Th0.72U0.28O2 (MOX-4) NCs displaying perfect linear field dependence typical of pure paramagnetic systems.

 

A  modified  molecular  reactivity  controlling  the 

concentration  of  active  monomers  in  solution  or 

differences  (doped  vs.  non‐doped)  related  to  the 

surface energies of the seeds could explain the shape 

modification.  Moreover,  the  homogeneous  shape 

distribution  for all  thorium  / uranium mixed oxides 

(Fig. S9 to S13  in the ESM) constitutes an additional 

proof  concerning  the  formation  of  mixed  oxides 

without  any  significant  segregation  (i.e. mixture  of 

thorium  oxide  and  uranium  oxide),  which  should 

lead  to  a mixture  of  both  anisotropic  and  isotropic 

NCs.  As  previously  demonstrated,  thorium  oxide 

easily forms anisotropic NCs when Th(acac)4 is used 

as  a  starting  precursor  and  so  far  a  shape 

modification  of  thorium  oxide NCs  has  only  been 

achievable by modifying  the  chemical nature of  the 

starting thorium precursor [49]. 

To  strengthen  the  structural  characterization,  EDX 

was  used  as  a  nanoscale  local  probe  to  get 

information  about  the  chemical  composition  of 

individual  NCs.  For  each  MOX  sample  the 

corresponding results are displayed in Figures 3c1 to 

3c7. Although  the  EDX  spectra  are  too  noisy  for  a 

quantitative analysis, they can be used qualitatively. 

Accordingly,  for  each  MOX  sample  (with  the 

exception  of  pure  thorium  and  uranium  dioxides), 

the EDX spectra show  the presence of both  thorium 

and  uranium  within  a  single  MOX  nanocrystal. 

Additionally,  the  relative  intensities  of  the  thorium 

and  uranium  lines  follow  the  trend  of  the  data 

obtained by  ICP‐MS analysis  from  the  thorium‐rich 

sample  (MOX‐2)  to  the  thorium‐poor  sample 

(MOX‐6). Hence,  the  EDX  analysis  used  as  a  local 

probe for single NCs corroborates the data obtained 

by  PXRD  and  ED  and  support  the  formation  of 

mixed oxides. 

 

2.2 Magnetism 

 

Magnetic  molar  susceptibility  of  the  uranium  – 

thorium  mixed  oxide  NCs  are  clearly  different 

compared  to  bulk  uranium  dioxide.  Indeed,  they 

present reduced values and no anomaly reminiscent 

of  the  31  K  antiferromagnetic  transition  can  be 

identified.  The  uranium  rich  NC  magnetic 

susceptibility M/H=  can  be  described  by  a  Curie Weiss  behavior  (=C/(T‐P)) with C, Curie  constant 

and  P,  Curie  paramagnetic  temperature.  When 

substituting  uranium  by  thorium  in  the  ThxU1‐xO2 

NCs, a  change of   from Curie Weiss  for UO2 NCs 

(MOX‐7)  to  a  pure  TIP  diamagnetic  behavior  for 

ThO2 NCs (MOX‐1) is observed (Fig. 5 a). This trend 

was  already  reported  by  Slowinski  et  al.  for  bulk 

thorium  /  uranium  solid  solutions  [54].  Parameters 

Page 11: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

10

such  as  effective  moment  eff  and  paramagnetic 

Curie  temperature  P,  exhibit  a  continuous  change with  increased  percentage  of  thorium  substituting 

uranium  in  the  lattice.  Nevertheless,  when 

approaching  25  mol.%  of  uranium,  a  significant 

discontinuity from the linear dependence for P with 

the uranium content was observed. Curie Weiss  fits 

of our data  for MOX‐7, MOX‐6 and MOX‐5  lead  to 

eff = 0.61, 0.58, and 0.8 B , with P = ‐31, ‐30, and ‐34 K,  respectively.  These  values  are  clearly  different 

from the ones obtained for bulk crystals (3.11 B and 

‐208  K). MOX‐4  has  the  particularity  to  display  a 

diamagnetic  behavior  at  high  temperature  and  an 

important paramagnetic upturn at  low temperature. 

Finally,  MOX‐1  is  purely  diamagnetic  as  the 

reference  bulk  ThO2  we  used.  Interestingly  its 

diamagnetic signal is even enhanced and constant in 

the full temperature range at d=  ‐2.1x10‐4 emu.mol‐1 

at 300 K. 

Considering magnetic response with field on Fig. 5b, 

it  is  obvious  that  no  ferromagnetic  response  is 

noticeable. Even at  the  lowest  temperature achieved 

(2  K)  and  at  highest  field  achievable  (70  kOe),  no 

hysteresis  was  observed.  Figure  5b  indicates  the 

magnetization  per  gram  for  representative  MOX 

systems. A  slight  curvature  is visible  for MOX‐7  to 

MOX‐5  but  no magnetic  hysteresis was  noticeable. 

The curvature observed could possibly be associated 

to  a  superparamagnetic  state  developing  at  low 

temperature. MOX‐4 was examined at low field and 

at  low  temperature  (T=  5K)  (Inset  Fig.  5b)  but  no 

difference  for  the magnetization  curves  is  observed 

for increasing and decreasing magnetic fields. 

The  absence  of  ferromagnetic  behavior  in  all MOX 

NCs  studied  in  the  present  work  is  a  strong 

argument against the universality of ferromagnetism 

in  non‐magnetic  metal  oxide  NCs  as  recently 

proposed  [47,  55]. On  one  side,  recent works  have 

pointed  out  the  importance  of  the  preparation 

process  and  the  possible  occurrence  of  magnetic 

impurities during  the synthesis as being a potential 

source  of  misinterpretation  [56].  It  has  also  been 

shown that Fe‐doped ZnO was necessary to observe 

ferromagnetism.  On  the  other  side,  several  routes 

have  been  proposed  to  explain  the  intrinsic 

properties  of  these  unconventional  ferromagnetic 

systems.  For  instance,  despite  the  absence  of  clear 

ferromagnetic  magnetization  curves  of  gold 

nanoparticles,  x‐ray  magnetic  circular  dichroism 

(XMCD)  and  x‐ray  absorption  spectroscopy  spectra 

(Au  L3  and  L2  edges)  suggested  the  possibility  of 

spin  polarization  states  developing  within  the 

nanoparticles  and  being  at  the  origin  of  a  super 

paramagnetic state [57]. The presence of defects due 

to  the high  surface‐to‐volume  ratio within NCs has 

also  been  suggested  to  be  at  the  origin  of 

ferromagnetism  and  especially  the  spin  polarized 

state  induced  by  point  defects  [58].  Whereas 

ferromagnetic  features  reported  in  the  literature are 

already observed at  room  temperature  [48], no hint 

of  magnetic  order  is  observed  from  room 

temperature down to 2 K when considering thorium 

/ uranium MOX NCs. 

 

3. Conclusions 

 

Efficient,  reliable  and  versatile  synthetic  techniques 

dedicated  to  the  formation  of  new  actinide‐based 

nano‐objects  are  the  cornerstone  towards  a  good 

understanding  of  actinide‐based  nanoscience.  To 

date,  the  non‐aqueous  method  in  highly 

coordinating  organic media  is  the  only  one  having 

demonstrated  its  capability  concerning  size  and 

shape  control  of  actinide‐based NCs.  In  this  paper, 

we demonstrated  that  the non‐aqueous  synthesis  is 

well adapted to control the chemical composition of 

the  as‐prepared  NCs.  Indeed,  the  controlled  hot 

co‐injection  of  Th(acac)4  and  UO2(OAc)2.2H2O 

(together  with  additional  capping  agents)  into  hot 

BnOBn  can  be  used  to  synthesize  Th1‐xUxO2  NCs 

within the entire range of compositions. Additionally, 

both size and shape are modified as a function of the 

Th:U  ratio.  Hence,  the  controlled  hot  co‐injection 

technique  opens  up  the way  to  synthesize  various 

doped  (e.g.  transuranium  elements,  lanthanides  or 

even  transition  metals)  actinide‐based  NCs. When 

moving  from UO2  to  ThO2  based NCs, we  observe 

the  disappearance  of  a  Curie‐Weiss  like  magnetic 

behavior  replaced  by  a  TIP  diamagnetic  feature  as 

for bulk materials. But contrary to reported magnetic 

features of various nanocrystalline  systems, no hint 

of ferromagnetism has been observed down to 2 K in 

our materials, especially for pure non‐magnetic ThO2 

based NCs. 

 

 

Page 12: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

11

4. Materials and Method 

 

Chemicals.  Benzyl  ether  (BnOBn,  99%,  Acros 

Organics),  trioctylphosphine oxide  (OP(Oct)3,  >98%, 

Merck),  oleic  acid  (OA, Ph. Eu.,  Fluka),  oleylamine 

(OAm,  80  –  90%  C18  content,  Acros  Organics  ) 

trioctylamine  (N(Oct)3,  >99%,  Fluka  ),  ethanol 

(absolute,  Merck)  and  toluene  (min  99.7%, 

Sigma‐Aldrich)  were  used  as  received  without 

further  purification.  Thorium  acetylacetonate 

(Th(acac)4)  was  purchased  from  International 

Bio‐Analytical  Industries  Inc.  (Boca  Raton,  Florida, 

USA). Th(acac)4 was purified prior to use (Electronic 

Supplementary  Material).  Uranyl  acetate 

(UO2(OAc)2.2H2O) was  synthesized  as  described  in 

the Electronic Supplementary Material. 

 

Synthesis of Th/U mixed oxide NCs. All syntheses 

were  performed  using  air‐free  (Schlenk)  techniques 

under  purified  argon  atmosphere.  First,  a  stock 

solution containing thorium and uranium precursors 

is  prepared.  Th(acac)4  and  UO2(OAc)2.2H2O  are 

solved  (T  =  60°C)  in  a  mixture  of  OA,  N(Oct)3, 

OP(Oct)3 and BnOBn. All reagents quantities for each 

sample  are  given  in  Table  S1  in  the  Electronic 

Supplementary  Material.  The  as‐obtained  clear 

yellow solution (the color intensity depending on the 

uranium  content)  is degassed under vacuum  (5.10‐2 

mbar) at 100°C  for 20 minutes. The solution  is  then 

cooled  down  to  room  temperature  and  transferred 

(under  inert  atmosphere)  into  a  10  mL  dropping 

funnel  connected  to  a  four‐neck  flask. Additionally, 

the  four‐neck  flask  is  equipped  with  a  water 

condenser, a PTFE stopcock connected to the Schlenk 

line  (Ar  supply)  and  a  Thermocouple.  The  second 

step  consists  in  transferring  a  given  quantity  of 

BnOBn  (previously  degassed  under  vacuum  and 

stored  over  4  Å  molecular  sieves)  into  the  four 

neck‐flask  and  heating  up  to  260°C.  When  the 

temperature is stabilized at 260°C, the stock solution 

is added (drop‐wise). After complete injection of the 

stock  solution,  the  mixture  is  kept  at  260°C  for 

additional  30  minutes  (Fig.  S11  in  the  ESI). 

Afterwards,  the heating mantle  is  removed  and  the 

flask is left to cool naturally to room temperature. 

 

NCs  recovering  and  purification  procedure. 

Absolute  ethanol  is  added  at  room  temperature  to 

the  thermally  treated  mixture.  The  optically  clear 

solution  turns  turbid  immediately.  After 

centrifugation  (4000  rpm,  30  min)  the  clear 

supernatant  is  discarded  and  the  resulting 

precipitate  is  dispersed  in  apolar  solvents  (e.g. 

toluene).  This  purification  procedure  (ethanol 

precipitation – centrifugation – toluene dispersion) is 

repeated three times to remove all residual organics. 

For  the  last  purification  cycle,  the  final  toluene 

dispersion  is centrifuged 20 minutes at 8000  rpm  in 

order to remove eventual insoluble materials. 

 

Powder  X‐Ray  Diffraction.  PXRD  measurements 

were  performed  at  room  temperature  in 

Bragg‐Brentano  geometry  using  a  Bruker  D8 

Advance  powder  diffractometer  with  a  copper 

anticathode and a  (111) Ge monochromator. The D8 

Advance  is equipped with a 1‐dimensional detector 

(LynxEye).  PXRD  patterns  were  recorded  in  the 

range  10°  ‐  120°  with  a  step  size  of  0.03°  and  a 

counting  time of 15 s per step. Rietveld refinements 

were  performed  using  Jana  2006  software with  the 

fundamental  approach method. XRD  samples were 

prepared  by  drop‐casting  solutions  of  thorium  / 

uranium mixed  oxide  nanocrystals  (precipitated  in 

ethanol) onto a (911)‐oriented silicon substrate. 

 

Transmission  Electron  Microscopy.  TEM  analysis 

was performed using  an  image  corrected  FEI Titan 

80‐300 microscope operated at 300 kV and equipped 

with a Gatan US1000 CCD camera for TEM imaging 

and  electron  diffraction.  Scanning  transmission 

electron microscopy  (STEM)  images were  acquired 

using  a HAADF  (High Angle Annular Dark  Field) 

detector with  a  nominal  spot  size  of  0.14  nm. EDX 

analysis  was  performed  in  STEM  mode  with  a 

nominal spot size of 0.5 nm using an EDAX S‐UTW 

EDX detector. 

TEM samples were prepared by drop‐casting diluted 

suspensions of  the  thorium  / uranium mixed  oxide 

nanocrystals  in  toluene  onto  carbon  coated  copper 

grids (Quantifoil holey carbon grids coated with a 2 

nm thickness carbon layer). 

 

Inductively  Coupled  Plasma  Mass  Spectrometry. 

The analyses were performed with a double focusing 

magnetic  sector  field  ICP‐MS  (Finnigan  Element2). 

The  dried  thorium  /  uranium  mixed  oxide 

Page 13: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

12

nanocrystals  were  dissolved  in  concentrated  nitric 

acid (14 M). After complete dissolution and dilution 

the thorium and uranium contents were determined 

by ICP‐MS. 

 

Magnetic properties. 

 

Magnetization and d.c. magnetic susceptibility were 

measured on the encapsulated (under Ar atmosphere) 

fresh NCs in the temperature range 2 ‐ 300 K and in 

magnetic  fields up  to 7 T using a Quantum Design 

MPMS‐7  superconducting  quantum  interference 

device  (SQUID). Magnetic contribution of  the argon 

filled  Plexiglass  container  was  determined  before 

encapsulation  and  subtracted.  Resulting  data were 

corrected  for  the  diamagnetic  contribution  using 

Pascal’s  constants.  Magnetic  calibration  was  done 

with  a  cylindrical  palladium  standard  having 

approximately  the  same  geometry  of  the measured 

samples. 

 

Acknowledgements 

This work was partially carried out with the support 

of  the  Karlsruhe  Nano  Micro  Facility  (KNMF, 

www.knmf.kit.edu)  a  large‐scale  research 

infrastructure  of  the  Helmholtz  Society  at  the 

Karlsruhe  Institute  of  Technology  (KIT, 

www.kit.edu). Daniel Bouexiere is acknowledged for 

his  help  with  powder  x‐ray  diffraction 

measurements  performed  in  a  dedicated  glove‐box 

for radioactive samples. 

Electronic Supplementary Material: Supplementary 

material  (purification  of  Th(acac)4,  synthesis  of 

UO2(OAc)2.2H2O,  composition  of  the  reactive 

mixtures,  experimental  thermal  profiles,  results  of 

the  Rietveld  refinements  and  additional  TEM 

pictures)  is  available  in  the  online  version  of  this 

article at http://dx.doi.org/10.1007/s12274‐***‐****‐*.  References 1. Hodes, G. When small is different: Some recent

advances in concepts and applications of nanoscale

phenomena. Adv. Mater. 2007, 19, 639-655.

2. El-Sayed, M. A. Small is different: Shape-, size-, and

composition-dependent properties of some colloidal

semiconductor nanocrystals. Acc. Chem. Res. 2004,

37, 326-333.

3. Alivisatos, A. P. Nanocrystals: Building blocks for

modern materials design. Endeavour 1997, 21, 56-60.

4. Goesmann, H.; Feldmann, C. Nanoparticulate

Functional Materials. Angew. Chem., Int. Ed. 2010,

49, 1362-1395.

5. Peng, X. An essay on synthetic chemistry of colloidal

nanocrystals. Nano Res. 2009, 2, 425-447.

6. Talapin, D. V.; Lee, J. S.; Kovalenko, M. V.;

Shevchenko, E. V. Prospects of colloidal nanocrystals

for electronic and optoelectronic applications. Chem.

Rev. 2010, 110, 389-458.

7. Semonin, O. E.; Luther, J. M.; Beard, M. C. Quantum

dots for next-generation photovoltaics. Mater. Today

2012, 15, 508-515.

8. Lohse, S. E.; Murphy, C. J. Applications of colloidal

inorganic nanoparticles: From medicine to energy. J.

Am. Chem. Soc. 2012, 134, 15607-15620.

9. Lee, D. C.; Smith, D. K.; Heitsch, A. T.; Korgel, B. A.

Colloidal magnetic nanocrystals: Synthesis,

properties and applications. Annu. Rep. Prog. Chem.

C 2007, 103, 351-402.

10. Reddy, L. H.; Arias, J. L.; Nicolas, J.; Couvreur, P.

Magnetic nanoparticles: Design and characterization,

toxicity and biocompatibility, pharmaceutical and

biomedical applications. Chem. Rev. 2012, 112,

5818-5878.

11. Wang, X.; Yang, L.; Chen, Z.; Shin, D. M.

Application of nanotechnology in cancer therapy and

imaging. Ca-Cancer J. Clin. 2008, 58, 97-110.

12. Bouzigues, C.; Gacoin, T.; Alexandrou, A. Biological

applications of rare-earth based nanoparticles. ACS

Nano 2011, 5, 8488-8505.

13. Kwon, S. G.; Hyeon, T. Colloidal Chemical Synthesis

and Formation Kinetics of Uniformly Sized

Nanocrystals of Metals, Oxides, and Chalcogenides.

Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1696-1709.

14. Park, J.; Joo, J.; Kwon, S. G.; Jang, Y.; Hyeon, T.

Synthesis of monodisperse spherical nanocrystals.

Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 4630-4660.

Page 14: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

13

15. Rao, C. N. R.; Vivekchand, S. R. C.; Biswasa, K.;

Govindaraja, A. Synthesis of inorganic nanomaterials.

Dalton Trans. 2007, 3728-3749.

16. Jun, Y. W.; Choi, J. S.; Cheon, J. Shape control of

semiconductor and metal oxide nanocrystals through

nonhydrolytic colloidal routes. Angew. Chem., Int. Ed.

2006, 45, 3414-3439.

17. Jun, Y. W.; Lee, J. H.; Choi, J. S.; Cheon, J.

Symmetry-controlled colloidal nanocrystals:

Nonhydrolytic chemical synthesis and shape

determining parameters. J. Phys. Chem. B 2005, 109,

14795-14806.

18. Dong, A.; Chen, J.; Vora, P. M.; Kikkawa, J. M.;

Murray, C. B. Binary nanocrystal superlattice

membranes self-assembled at the liquid-air interface.

Nature 2010, 466, 474-477.

19. Rogach, A. L.; Talapin, D. V.; Shevchenko, E. V.;

Kornowski, A.; Haase, M.; Weller, H. Organization of

matter on different size scales: Monodisperse

nanocrystals and their superstructures. Adv. Funct.

Mater. 2002, 12, 653-664.

20. Levchenko, T. I.; Kübel, C.; Huang, Y.; Corrigan, J. F.

From Molecule to Materials: Crystalline Superlattices

of Nanoscopic CdS Clusters. Chem. Eur. J. 2011, 17,

14394-14398.

21. Buonsanti, R.; Milliron, D. J. Chemistry of doped

colloidal nanocrystals. Chem. Mater. 2013, 25,

1305-1317.

22. Norris, D. J.; Efros, A. L.; Erwin, S. C. Doped

nanocrystals. Science 2008, 319, 1776-1779.

23. Bryan, J. D.; Gamelin, D. R., in Progress in Inorganic

Chemistry2005, vol. 54, pp. 47-126.

24. Erwin, S. C.; Zu, L.; Haftel, M. I.; Efros, A. L.;

Kennedy, T. A.; Norris, D. J. Doping semiconductor

nanocrystals. Nature 2005, 436, 91-94.

25. Shi, W.-Q.; Yuan, L. Y.; Li, Z. J.; Lan, J. H.; Zhao, Y.

L.; Chai, Z.-F., in Radiochim. Acta2012, vol. 100, pp.

727-736.

26. Tsivadze, A. Y.; Ionova, G. V.; Mikhalko, V. K.

Nanochemistry and supramolecular chemistry of

actinides and lanthanides: Problems and prospects.

Prot. Met. Phys. Chem. Surf. 2010, 46, 149-169.

27. Wilson, R. E.; Skanthakumar, S.; Soderholm, L.

Separation of plutonium oxide nanoparticles and

colloids. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50,

11234-11237.

28. Biswas, B.; Mougel, V.; Pécaut, J.; Mazzanti, M.

Base-driven assembly of large uranium oxo/hydroxo

clusters. Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 5745-5748.

29. Ling, J.; Qiu, J.; Sigmon, G. E.; Ward, M.;

Szymanowski, J. E. S.; Burns, P. C. Uranium

pyrophosphate/methylenediphosphonate

polyoxometalate cage clusters. J. Am. Chem. Soc.

2010, 132, 13395-13402.

30. Soderholm, L.; Almond, P. M.; Skanthakumar, S.;

Wilson, R. E.; Burns, P. C. The structure of the

plutonium oxide nanocluster [Pu38O

56Cl54(H2O)8]14. Angew. Chem., Int. Ed. 2008, 47,

298-302.

31. Burns, P. C.; Kubatko, K. A.; Sigmon, G.; Fryer, B. J.;

Gagnon, J. E.; Antonio, M. R.; Soderholm, L. Actinyl

peroxide nanospheres. Angew. Chem., Int. Ed. 2005,

44, 2135-2139.

32. Rousseau, G.; Fattahi, M.; Grambow, B.; Desgranges,

L.; Boucher, F.; Ouvrard, G.; Millot, N.; Niepce, J. C.

Synthesis and characterization of nanometric powders

of UO2+x, (Th,U)O2+x and (La,U)O2+x. J. Solid

State Chem. 2009, 182, 2591-2597.

33. Wang, Q.; Li, G. D.; Xu, S.; Li, J. X.; Chen, J. S.

Synthesis of uranium oxide nanoparticles and their

catalytic performance for benzyl alcohol conversion

to benzaldehyde. J. Mater. Chem. 2008, 18,

1146-1152.

34. Kumar, D.; Dey, G. K.; Gupta, N. M. Nanoparticles of

uranium oxide occluded in MCM-41 silica host:

Influence of synthesis condition on the size and the

chemisorption behavior. Phys. Chem. Chem. Phys.

2003, 5, 5477-5484.

35. Zhang, Z. T.; Konduru, M.; Dai, S.; Overbury, S. H.

Uniform formation of uranium oxide nanocrystals

inside ordered mesoporous hosts and their potential

applications as oxidative catalysts. Chem. Commun.

2002, 2406-2407.

36. Wu, H. M.; Yang, Y. G.; Cao, Y. C. Synthesis of

Page 15: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

14

colloidal uranium-dioxide nanocrystals. J. Am. Chem.

Soc. 2006, 128, 16522-16523.

37. Hudry, D.; Apostolidis, C.; Walter, O.; Gouder, T.;

Courtois, E.; Kübel, C.; Meyer, D. Non-aqueous

Synthesis of Isotropic and Anisotropic Actinide Oxide

Nanocrystals. Chem. Eur. J. 2012, 18, 8283-8287.

38. Novikov, A. P.; Kalmykov, S. N.; Utsunomiya, S.;

Ewing, R. C.; Horreard, F. o.; Merkulov, A.; Clark, S.

B.; Tkachev, V. V.; Myasoedov, B. F. Colloid

Transport of Plutonium in the Far-Field of the Mayak

Production Association, Russia. Science 2006, 314,

638-641.

39. Kersting, A. B.; Efurd, D. W.; Finnegan, D. L.; Rokop,

D. J.; Smith, D. K.; Thompson, J. L. Migration of

plutonium in ground water at the Nevada Test Site.

Nature 1999, 397, 56-59.

40. Nenoff, T. M.; Jacobs, B. W.; Robinson, D. B.;

Provencio, P. P.; Huang, J.; Ferreira, S.; Hanson, D. J.

Synthesis and low temperature in situ sintering of

uranium oxide nanoparticles. Chem. Mater. 2011, 23,

5185-5190.

41. McLaughlin, M. F.; Woodward, J.; Boll, R. A.; Wall, J.

S.; Rondinone, A. J.; Kennel, S. J.; Mirzadeh, S.;

Robertson, J. D. Gold Coated Lanthanide Phosphate

Nanoparticles for Targeted Alpha Generator

Radiotherapy. PLoS One 2013, 8, e54531.

42. Kim, Y. S.; Brechbiel, M. W. An overview of targeted

alpha therapy. Tumor Biol. 2012, 33, 573-590.

43. Durakiewicz, T.; Joyce, J. J.; Wills, J. M.; Batista, C.

D. Notes on the dual nature of 5f electrons. J. Phys.

Soc. Jpn. 2006, 75, 39-40.

44. Lander, G. H. Physics - Sensing electrons on the edge.

Science 2003, 301, 1057-1058.

45. Kwon, S. G.; Hyeon, T. Formation mechanisms of

uniform nanocrystals via hot-injection and heat-up

methods. Small 2011, 7, 2685-2702.

46. Donega, C. D.; Liljeroth, P.; Vanmaekelbergh, D.

Physicochemical evaluation of the hot-injection

method, a synthesis route for monodisperse

nanocrystals. Small 2005, 1, 1152-1162.

47. Sundaresan, A.; Rao, C. N. R. Ferromagnetism as a

universal feature of inorganic nanoparticles. Nano

Today 2009, 4, 96-106.

48. Sundaresan, A.; Bhargavi, R.; Rangarajan, N.;

Siddesh, U.; Rao, C. N. R. Ferromagnetism as a

universal feature of nanoparticles of the otherwise

nonmagnetic oxides. Phys. Rev. B 2006, 74, 161306.

49. Hudry, D.; Apostolidis, C.; Walter, O.; Gouder, T.;

Courtois, E.; Kübel, C.; Meyer, D. Controlled

synthesis of thorium and uranium oxide nanocrystals.

Chem. Eur. J. 2013, 19, 5297-5305.

50. Reiss, P.; Protière, M.; Li, L. Core/shell

semiconductor nanocrystals. Small 2009, 5, 154-168.

51. Cheary, R. W.; Coelho, A. A. Axial Divergence in a

Conventional X-ray Powder Diffractometer. I.

Theoretical Foundations. J. Appl. Crystallogr. 1998,

31, 851-861.

52. Narayanaswamy, A.; Xu, H. F.; Pradhan, N.; Kim, M.;

Peng, X. G. Formation of nearly monodisperse In2O3

nanodots and oriented-attached nanoflowers:

Hydrolysis and alcoholysis vs pyrolysis. J. Am. Chem.

Soc. 2006, 128, 10310-10319.

53. Yang, Y. F.; Jin, Y. Z.; He, H. P.; Wang, Q. L.; Tu, Y.;

Lu, H. M.; Ye, Z. Z. Dopant-Induced Shape Evolution

of Colloidal Nanocrystals: The Case of Zinc Oxide. J.

Am. Chem. Soc. 2010, 132, 13381-13394.

54. Slowinski, E.; Elliott, N. Lattice constants and

magnetic susceptibilities of solid solutions of uranium

and thorium dioxide. Acta Cryst. 1952, 5, 768-770.

55. Sundaresan, A.; Rao, C. N. R. Implications and

consequences of ferromagnetism universally

exhibited by inorganic nanoparticles. Solid State

Commun. 2009, 149, 1197-1200.

56. Coey, J. M. D. Dilute magnetic oxides. Curr. Opin.

Solid State Mater. Sci. 2006, 10, 83-92.

57. Yamamoto, Y.; Miura, T.; Suzuki, M.; Kawamura, N.;

Miyagawa, H.; Nakamura, T.; Kobayashi, K.;

Teranishi, T.; Hori, H. Direct observation of

ferromagnetic spin polarization in gold nanoparticles.

Phys. Rev. Lett. 2004, 93,

116801-116801-116801-116804.

58. Das Pemmaraju, C.; Sanvito, S. Ferromagnetism

driven by intrinsic point defects in HfO2. Phys. Rev.

Lett. 2005, 94, 217205.

Page 16: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

15

Page 17: Thorium/uranium mixed oxide nanocrystals ... - Nano Researchactinide‐based NCs compared to their bulk counterparts. It might bring new insights concerning the solid state physics

16