Title (eng)
Modifying low-dimensional materials using energetic charged particles
Parallel title (deu)
Modifizierung von niedrigdimensionalen Materialien durch energetische geladene Teilchen
Author
Mukesh Kumar Tripathi
Advisor
Toma Susi
Jani Kotakoski
Assessor
Ferdinand Hofer
Andrew Lupini
Abstract (deu)
Niedrigdimensionale Materialien, wie Graphen, Übergangsmetalldichalkogenid Monoschichten und Kohlenstoffnanoröhren sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften Gegenstand aktueller Forschung. Damit diese Materialien ihr gesamtes Potential entfalten können, müssen ihre Eigenschaften für die Verwendung in modernen Anwendungen zugeschnitten werden. Eine Möglichkeit dies gezielt durchzuführen ist die Bestrahlung mit Elektronen oder Ionen. Einerseits kann aberrationskorrigierte Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) dazu verwendet werden solche veränderten Strukturen abzubilden, andererseits hat sich gezeigt, dass man mithilfe dieser auch in der Lage ist einzelne Fremdatome innerhalb eines kovalent gebundenen Materials gezielt zu verschieben. Zuerst wurde gezeigt, dass es möglich ist durch Beschuss mit niedrigenergetischen Ionen Germanium als Fremdatom in Graphen zu implantieren. Atomar aufgelöste STEM Bilder zeigen, dass Germaniumatome trotz ihrer Größe einzelne Kohlenstoffatome substituieren können. Da die Verunreinigung der Proben durch die Bestrahlung eine der größten Herausforderungen bei der skizzierten Vorgangsweise ist, wurde ein Vakuumglühverfahren entwickelt, um den Verunreinigungsprozess abzuschwächen. Außerdem wurden Nanoporen in Molybdän und Wolframdisulfid mittels hochionisierter Xe Atome erzeugt. Durch verändern der Bestrahlungsparameter konnte die Größe der Poren kontrolliert werden. Weiters wurde gezeigt, dass Nanoporen auch intrinsisch an Korngrenzen von Molybdändisulfid vorkommen und deren Größenverteilung vom Missorientierungswinkel zwischen den Körnern abhängt. Zuletzt wurde ein STEM verwendet, um elektronenstrahlinduzierte Dynamiken verschiedener Heteroatome in Graphen und einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, sowohl zu beobachten als auch mit atomarer Präzision zu kontrollieren. Atomar aufgelöste Bilder zeigen Prozesse, bei denen sich die Anzahl der Atome ändert, als auch solche bei denen diese konstant bleibt. Dies hat Auswirkungen auf die Herstellung von Nanostrukturen. Der Elektronenstrahl wurde verwendet, um Silizium und Phosphor Fremdatome in Graphen gezielt zu verschieben. Einzelne Silizium Fremdatome konnten kontrolliert hunderte Gitterstellen weit verschoben werden. Dies wurde auch in einwandigen Kohlenstoffnanoröhren gezeigt. Auch mit manueller Steuerung ist die elektronenstrahlinduzierte Sprungrate der Fremdatome auf einer Ebene mit anderen hochmodernen atomar auflösenden Methoden, wie Rastersondenmikroskopie. Dies zeigt das enorme Potential von STEM für die Nanotechnik.
Abstract (eng)
Low-dimensional materials including graphene, single-layer transition metal dichalcogenides and carbon nanotubes have attracted significant attention due to their unique intrinsic properties. To fully exploit their potential for novel applications, these properties need to be tailored. Defect engineering via electron and ion irradiation is one way to achieve this in a controlled way. While aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) can be used to image such modified structures, it has also proven capable of manipulating individual impurity atoms in covalently bound materials using its \AA-sized focused beam.
First, we demonstrated the incorporation of so far the heaviest reported impurity, Ge, into single-layer graphene via low-energy ion implantation. Atomic resolution STEM imaging revealed that despite its size, Ge can directly substitute single carbon atoms. Since sample contamination is a challenge in studies like this, we developed vacuum annealing methods to mitigate it. Next, we induced nanopores in both molybdenum and tungsten disulfide via highly charged Xe ion irradiation. By varying the ion parameters, the size of the pores could be controlled. We further showed that nanopores are also intrinsically present along grain boundaries of chemically grown single-layer molybdenum disulfide, with a size distribution dependent on the grain misorientation angle.
Finally, we used aberration-corrected STEM to both observe and control the electron-beam driven dynamics of various heteroatoms in graphene and single-walled carbon nanotubes. Atomic resolution imaging revealed both atom-conserving and non-conserving dynamics under electron irradiation, which has implications for the fabrication of nanostructures. We further explored electron-beam manipulation of silicon and phosphorus impurities within single-layer graphene. Individual silicon atoms could be precisely moved over hundreds of lattice sites, whereas phosphorus atoms are more challenging to move. Manipulation of silicon was also achieved in single-walled carbon nanotubes.
Even with manual operation, the rate of electron-beam manipulation is already comparable to the state-of-the-art in any atomically precise technique including scanning probe microscopy, demonstrating the great potential of STEM for atomic engineering of low-dimensional materials.
Keywords (eng)
Scanning transmission electron microscopyGrapheneHeteroatomsSWCNTLow-dimensional materialsIon irradiationEELS
Keywords (deu)
RastertransmissionselektronenmikroskopieGraphenHeteroatomeSWCNTNiedrigdimensionale MaterialienIonenbestrahlungEELS
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1352027
rdau:P60550 (deu)
108 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
120
Association (deu)
Title (eng)
Modifying low-dimensional materials using energetic charged particles
Parallel title (deu)
Modifizierung von niedrigdimensionalen Materialien durch energetische geladene Teilchen
Author
Mukesh Kumar Tripathi
Abstract (deu)
Niedrigdimensionale Materialien, wie Graphen, Übergangsmetalldichalkogenid Monoschichten und Kohlenstoffnanoröhren sind aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften Gegenstand aktueller Forschung. Damit diese Materialien ihr gesamtes Potential entfalten können, müssen ihre Eigenschaften für die Verwendung in modernen Anwendungen zugeschnitten werden. Eine Möglichkeit dies gezielt durchzuführen ist die Bestrahlung mit Elektronen oder Ionen. Einerseits kann aberrationskorrigierte Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM) dazu verwendet werden solche veränderten Strukturen abzubilden, andererseits hat sich gezeigt, dass man mithilfe dieser auch in der Lage ist einzelne Fremdatome innerhalb eines kovalent gebundenen Materials gezielt zu verschieben. Zuerst wurde gezeigt, dass es möglich ist durch Beschuss mit niedrigenergetischen Ionen Germanium als Fremdatom in Graphen zu implantieren. Atomar aufgelöste STEM Bilder zeigen, dass Germaniumatome trotz ihrer Größe einzelne Kohlenstoffatome substituieren können. Da die Verunreinigung der Proben durch die Bestrahlung eine der größten Herausforderungen bei der skizzierten Vorgangsweise ist, wurde ein Vakuumglühverfahren entwickelt, um den Verunreinigungsprozess abzuschwächen. Außerdem wurden Nanoporen in Molybdän und Wolframdisulfid mittels hochionisierter Xe Atome erzeugt. Durch verändern der Bestrahlungsparameter konnte die Größe der Poren kontrolliert werden. Weiters wurde gezeigt, dass Nanoporen auch intrinsisch an Korngrenzen von Molybdändisulfid vorkommen und deren Größenverteilung vom Missorientierungswinkel zwischen den Körnern abhängt. Zuletzt wurde ein STEM verwendet, um elektronenstrahlinduzierte Dynamiken verschiedener Heteroatome in Graphen und einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, sowohl zu beobachten als auch mit atomarer Präzision zu kontrollieren. Atomar aufgelöste Bilder zeigen Prozesse, bei denen sich die Anzahl der Atome ändert, als auch solche bei denen diese konstant bleibt. Dies hat Auswirkungen auf die Herstellung von Nanostrukturen. Der Elektronenstrahl wurde verwendet, um Silizium und Phosphor Fremdatome in Graphen gezielt zu verschieben. Einzelne Silizium Fremdatome konnten kontrolliert hunderte Gitterstellen weit verschoben werden. Dies wurde auch in einwandigen Kohlenstoffnanoröhren gezeigt. Auch mit manueller Steuerung ist die elektronenstrahlinduzierte Sprungrate der Fremdatome auf einer Ebene mit anderen hochmodernen atomar auflösenden Methoden, wie Rastersondenmikroskopie. Dies zeigt das enorme Potential von STEM für die Nanotechnik.
Abstract (eng)
Low-dimensional materials including graphene, single-layer transition metal dichalcogenides and carbon nanotubes have attracted significant attention due to their unique intrinsic properties. To fully exploit their potential for novel applications, these properties need to be tailored. Defect engineering via electron and ion irradiation is one way to achieve this in a controlled way. While aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) can be used to image such modified structures, it has also proven capable of manipulating individual impurity atoms in covalently bound materials using its \AA-sized focused beam.
First, we demonstrated the incorporation of so far the heaviest reported impurity, Ge, into single-layer graphene via low-energy ion implantation. Atomic resolution STEM imaging revealed that despite its size, Ge can directly substitute single carbon atoms. Since sample contamination is a challenge in studies like this, we developed vacuum annealing methods to mitigate it. Next, we induced nanopores in both molybdenum and tungsten disulfide via highly charged Xe ion irradiation. By varying the ion parameters, the size of the pores could be controlled. We further showed that nanopores are also intrinsically present along grain boundaries of chemically grown single-layer molybdenum disulfide, with a size distribution dependent on the grain misorientation angle.
Finally, we used aberration-corrected STEM to both observe and control the electron-beam driven dynamics of various heteroatoms in graphene and single-walled carbon nanotubes. Atomic resolution imaging revealed both atom-conserving and non-conserving dynamics under electron irradiation, which has implications for the fabrication of nanostructures. We further explored electron-beam manipulation of silicon and phosphorus impurities within single-layer graphene. Individual silicon atoms could be precisely moved over hundreds of lattice sites, whereas phosphorus atoms are more challenging to move. Manipulation of silicon was also achieved in single-walled carbon nanotubes.
Even with manual operation, the rate of electron-beam manipulation is already comparable to the state-of-the-art in any atomically precise technique including scanning probe microscopy, demonstrating the great potential of STEM for atomic engineering of low-dimensional materials.
Keywords (eng)
Scanning transmission electron microscopyGrapheneHeteroatomsSWCNTLow-dimensional materialsIon irradiationEELS
Keywords (deu)
RastertransmissionselektronenmikroskopieGraphenHeteroatomeSWCNTNiedrigdimensionale MaterialienIonenbestrahlungEELS
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1352028
Number of pages
120
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