Title (eng)
Atomic scale dynamics and modifications of stacked heteronanostructures under extreme conditions
Parallel title (deu)
Dynamik im atomaren Maßstab und Modifikationen gestapelter Heteronanostrukturen unter extremen Bedingungen
Author
Heena Inani
Advisor
Jani Kotakoski
Assessor
Jakob Birkedal Wagner
Marjia Drndic
Abstract (deu)
Seit der Entdeckung von Graphen haben niedrigdimensionale Materialien große Fortschritte in Richtung Verwendung in zukünftigen Technologien aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften gemacht. Durch ihre Zweidimensionalität ist es möglich Veränderungen auf atomarer Ebene durchzuführen und damit Eigenschaften für bestimmte Einsatzzwecke maßzuschneidern. Die verwendete Methode ist auch entscheidend für die Zuverlässigkeit der Materialien bei ihrer Anwendung. Es existieren verschiedenste Möglichkeiten, um Materialien zu verändern, z.B. elektrische Felder, Gase und Flüssigkeiten, sowie diverse Teilchen wie Elektronen etc. Elektronenmikroskope mit Auflösung im Angstrom-Bereich erlauben es atomare Strukturen zu untersuchen und unter verschiedensten Bedingungen zu testen. Dies dient zur Gewinnung von Erkenntnissen über Dynamiken und Transformationen in Materialien. Diese Dissertation zeigt Strukturänderungen in 1D (Kohlenstoffnanoröhrchen), 2D (Graphen, MoS2) und deren gestapelten Systemen mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie. Diese Veränderungen wurden durch externe Einflüsse wie elektrischer Spannung, Plasma- und Ionenbestrahlung erzeugt.
Die verwendeten Materialien wurden mit verschiedensten Methoden verändert. Es wurden in situ sowie ex situ Experimente durchgeführt, um Strukturdynamiken zu beobachten. Zuerst wurde Argonplasma verwendet, um Siliziumheteroatome in Graphen und SWCNTs zu substituieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Siliziumatome sowohl in 3- als auch 4-koordinierter Bindung vorliegen können. Außerdem wurden die Auswirkungen von Ionenbestrahlung auf Graphen-MoS2 Heterostrukturen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bestrahlung zur Erzeugung von Nanoporen in MoS2 führen. Im Gegensatz dazu bleibt Graphen intakt. Wenn die Heterostruktur auf der Graphenseite bestrahlt wird, entstehen indes keine Poren. Abschließend wurden Heizexperimente mit Graphen und Graphen-MoS2 Heterostrukturen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Dynamiken und Verdampfung von Verunreinigungen auf Graphen bei Temperaturen von über 2000 K in Abhängigkeit der Probengeometrie. Im Fall der Heterostruktur wurde bei einer Vorspannung von 3 V die Transformation von 2D MoS2 in einen 3D Nanokristall beobachtet.
Zusammenfassend, diese Arbeit untersucht verschiedene Methoden, um Strukturänderungen in mehrfachdimensionalen (1D/2D und 2D/2D) Heterostrukturen zu induzieren. Diese können für eine breite Palette (gestapelter) niedrigdimensionaler Materialien verwendet werden, um Einsicht in Wachstum und Dynamiken dieser zu bekommen. Außerdem dienen die gewonnenen Erkenntnisse zur Entwicklung neuer Methoden für die Nanofabrikation.
Abstract (eng)
Since the discovery of atomically thin graphene, low-dimensional materials are making rapid progress for their use in future technology due to their exceptional intrinsic properties. Atomically thin nature of materials allows us to extrinsically introduce atomic scale modifications, hence manipulate the properties for particular application. The external manipulation processes are also important for optimizing the materials sustainability in device operations. There is a broad range of methods to externally modify materials, for example, the application of electric field, high temperatures, gaseous and liquid environment, electron, and particle irradiation etc. The high-end electron microscopes with Angstrom-level resolution and customized with tools made it possible to study the atomic structure of materials and test them under various environments which provide insights into structural dynamics and transformation of materials. This thesis presents the structural modifications in 1D (carbon nanotubes), 2D (graphene, MoS2) and their stacked systems under external stimuli such as electric biasing, plasma, and highly charged ion irradiation by employing scanning transmission electron microscopy (STEM).
In this thesis, I modified the target materials using various methods and performed in situ and ex situ experiments for observing the structural dynamics and evolution. Firstly, we used Ar plasma irradiation method to substitute heteroatoms (Si) in both graphene and SWCNTs lattices. The results reveal that the Si atoms are found in 3-fold and 4-fold configurations in SWCNTs. Secondly, we studied the effect of highly charged ions on graphene-MoS2 heterostructrues. The results show that irradiation leads to the creation of nanosize pores in MoS2, while graphene lattice remains intact. In an experiment, when sample is irradiated on graphene side, both lattices remain unaffected. Finally, we performed in situ Joule-heating experiments on graphene and graphene-MoS2 heterostructrues. The results exhibit dynamics, and evaporation of contaminants on graphene lattice while the temperature reaches up to 2000~K and beyond depending on device geometry. In the case of a heterostructure, at a bias of 3~V over the suspended sample, we observed the gradual transformation of 2D MoS2 into 3D nanocrystals followed by processes such as vacancy formation, void expansion, and edge evaporation.
In summary, this work explored the different methods to structurally modify the multidimensional heterostructures (1D/2D and 2D/2D) and could be extended to entire range of low-dimensional materials and their stack combinations to get insights into growth, dynamics and evolution of materials and establish new nanofabrication technique.
Keywords (eng)
low-dimensional materialsheterostructuresscanning transmission electron microscopyion irradiationin situ Joule-heating
Keywords (deu)
niedrigdimensionale MaterialienHeterostrukturenRastertransmissionelektronenmikroskopieIonenbestrahlungIn situ Joule-heizung
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1397250
rdau:P60550 (deu)
ii, 66 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Number of pages
82
Association (deu)
Title (eng)
Atomic scale dynamics and modifications of stacked heteronanostructures under extreme conditions
Parallel title (deu)
Dynamik im atomaren Maßstab und Modifikationen gestapelter Heteronanostrukturen unter extremen Bedingungen
Author
Heena Inani
Abstract (deu)
Seit der Entdeckung von Graphen haben niedrigdimensionale Materialien große Fortschritte in Richtung Verwendung in zukünftigen Technologien aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften gemacht. Durch ihre Zweidimensionalität ist es möglich Veränderungen auf atomarer Ebene durchzuführen und damit Eigenschaften für bestimmte Einsatzzwecke maßzuschneidern. Die verwendete Methode ist auch entscheidend für die Zuverlässigkeit der Materialien bei ihrer Anwendung. Es existieren verschiedenste Möglichkeiten, um Materialien zu verändern, z.B. elektrische Felder, Gase und Flüssigkeiten, sowie diverse Teilchen wie Elektronen etc. Elektronenmikroskope mit Auflösung im Angstrom-Bereich erlauben es atomare Strukturen zu untersuchen und unter verschiedensten Bedingungen zu testen. Dies dient zur Gewinnung von Erkenntnissen über Dynamiken und Transformationen in Materialien. Diese Dissertation zeigt Strukturänderungen in 1D (Kohlenstoffnanoröhrchen), 2D (Graphen, MoS2) und deren gestapelten Systemen mittels Rastertransmissionselektronenmikroskopie. Diese Veränderungen wurden durch externe Einflüsse wie elektrischer Spannung, Plasma- und Ionenbestrahlung erzeugt.
Die verwendeten Materialien wurden mit verschiedensten Methoden verändert. Es wurden in situ sowie ex situ Experimente durchgeführt, um Strukturdynamiken zu beobachten. Zuerst wurde Argonplasma verwendet, um Siliziumheteroatome in Graphen und SWCNTs zu substituieren. Die Ergebnisse zeigen, dass Siliziumatome sowohl in 3- als auch 4-koordinierter Bindung vorliegen können. Außerdem wurden die Auswirkungen von Ionenbestrahlung auf Graphen-MoS2 Heterostrukturen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Bestrahlung zur Erzeugung von Nanoporen in MoS2 führen. Im Gegensatz dazu bleibt Graphen intakt. Wenn die Heterostruktur auf der Graphenseite bestrahlt wird, entstehen indes keine Poren. Abschließend wurden Heizexperimente mit Graphen und Graphen-MoS2 Heterostrukturen durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen die Dynamiken und Verdampfung von Verunreinigungen auf Graphen bei Temperaturen von über 2000 K in Abhängigkeit der Probengeometrie. Im Fall der Heterostruktur wurde bei einer Vorspannung von 3 V die Transformation von 2D MoS2 in einen 3D Nanokristall beobachtet.
Zusammenfassend, diese Arbeit untersucht verschiedene Methoden, um Strukturänderungen in mehrfachdimensionalen (1D/2D und 2D/2D) Heterostrukturen zu induzieren. Diese können für eine breite Palette (gestapelter) niedrigdimensionaler Materialien verwendet werden, um Einsicht in Wachstum und Dynamiken dieser zu bekommen. Außerdem dienen die gewonnenen Erkenntnisse zur Entwicklung neuer Methoden für die Nanofabrikation.
Abstract (eng)
Since the discovery of atomically thin graphene, low-dimensional materials are making rapid progress for their use in future technology due to their exceptional intrinsic properties. Atomically thin nature of materials allows us to extrinsically introduce atomic scale modifications, hence manipulate the properties for particular application. The external manipulation processes are also important for optimizing the materials sustainability in device operations. There is a broad range of methods to externally modify materials, for example, the application of electric field, high temperatures, gaseous and liquid environment, electron, and particle irradiation etc. The high-end electron microscopes with Angstrom-level resolution and customized with tools made it possible to study the atomic structure of materials and test them under various environments which provide insights into structural dynamics and transformation of materials. This thesis presents the structural modifications in 1D (carbon nanotubes), 2D (graphene, MoS2) and their stacked systems under external stimuli such as electric biasing, plasma, and highly charged ion irradiation by employing scanning transmission electron microscopy (STEM).
In this thesis, I modified the target materials using various methods and performed in situ and ex situ experiments for observing the structural dynamics and evolution. Firstly, we used Ar plasma irradiation method to substitute heteroatoms (Si) in both graphene and SWCNTs lattices. The results reveal that the Si atoms are found in 3-fold and 4-fold configurations in SWCNTs. Secondly, we studied the effect of highly charged ions on graphene-MoS2 heterostructrues. The results show that irradiation leads to the creation of nanosize pores in MoS2, while graphene lattice remains intact. In an experiment, when sample is irradiated on graphene side, both lattices remain unaffected. Finally, we performed in situ Joule-heating experiments on graphene and graphene-MoS2 heterostructrues. The results exhibit dynamics, and evaporation of contaminants on graphene lattice while the temperature reaches up to 2000~K and beyond depending on device geometry. In the case of a heterostructure, at a bias of 3~V over the suspended sample, we observed the gradual transformation of 2D MoS2 into 3D nanocrystals followed by processes such as vacancy formation, void expansion, and edge evaporation.
In summary, this work explored the different methods to structurally modify the multidimensional heterostructures (1D/2D and 2D/2D) and could be extended to entire range of low-dimensional materials and their stack combinations to get insights into growth, dynamics and evolution of materials and establish new nanofabrication technique.
Keywords (eng)
low-dimensional materialsheterostructuresscanning transmission electron microscopyion irradiationin situ Joule-heating
Keywords (deu)
niedrigdimensionale MaterialienHeterostrukturenRastertransmissionelektronenmikroskopieIonenbestrahlungIn situ Joule-heizung
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1397251
Number of pages
82
Association (deu)
License
Citable links
Other links
Managed by
Details
Metadata
Export formats
Universitätsring 1, 1010 Wien | T
T +43-1-4277-0