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Understanding 2D Materials with 4D Scanning Transmission Electron Microscopy

Giacomo Argentero

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Physik

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)

Betreuer*in

Jannik C. Meyer

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DOI

10.25365/thesis.49471

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-14929.32487.410692-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Zehn Jahre nach der Entdeckung von Graphen ist die wissenschaftliche Forschung auf dem Gebiet der zweidimensionalen (2D)-Materialien aktiver denn je. Die enorme Begeisterung, welche die ersten experimentellen Studien über Graphen angefacht haben, hat sich nun auf viele andere Schichtkristalle mit einzigartigen Eigenschaften ausgeweitet. Da sie nur wenige Atomlagen dünn sind, können 2D-Materialien einfach durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) untersucht werden. Diese Technik ist zu einer der leistungsstärksten und weitverbreitetsten in diesem Forschungsgebiet geworden. Die im Angstrom-Bereich liegende Auflösung der modernen TEMs erlaubt die Charakterisierung von 2D-Materialien auf atomarer Skala. Dies ermöglicht ein tiefes Verständnis ihrer strukturellen Eigenschaften. In dieser Arbeit erforsche ich die Möglichkeiten von Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), jenseits der traditionellen Bildgebung, mit Hilfe eines vierdimensionalen (4D)-Mikroskopie-Ansatzes. Hierbei wird die Intensität des gestreuten Elektronenstrahls auf einem 2D Detektor an jedem Punkt des gescannten 2D Bildes aufgezeichnet. Diese Technik wird verwendet, um Informationen aus 2D-Materialien zu gewinnen, die durch konventionelle Bildgebung nicht zugänglich sind. Insbesondere charakterisiere ich die dreidimensionale Atomstruktur eines van der Waals-Kristalls, bestehend aus einer freistehenden Doppelschicht aus Graphen und Bornitrid. Dabei zeige ich, dass die Heterostruktur in der Richtung außerhalb der Ebene aufgrund einer periodischen Modulation der Wechselwirkungsstärke zwischen den beiden Schichten verzerrt ist. Weiters diskutiere ich die Möglichkeit, die Kohlenstoff-Isotope 12 C und 13 C in einer 13 C-angereicherten Graphenprobe auf atomarer Skala zu identifizieren. Für diese Arbeit habe ich den Energieverlust für in große Winkel gestreute Elektronen für beide Isotope simuliert. Hierbei zeige ich, dass ein kleiner Unterschied im Signal eine eindeutige Identifikation der Isotope erlauben sollte. Darüber hinaus zeige ich die ersten experimentellen Schritte in diese Richtung. Ebenfalls erforsche ich einen weiteren Ansatz zur Unterscheidung verschiedener Isotope: strahlinduzierter “knock-on damage” wird für Graphenproben bestehend aus 12 C- oder 13 C-Atomen quantifiziert. Dieser kann dann zur Bestimmung der lokalen Isotopenkonzentration in einer gemischten Probe verwendet werden. Abschließend zeigt diese Arbeit, wie neue Detektionsgeometrien und unkonventionelle Techniken im STEM erfolgreich zur Forschung an 2D-Materialien beitragen können.

Abstract

(Englisch)

One decade after the discovery of graphene, scientific research on two-dimensional (2D) materials is far from being exhausted. The enthusiasm that accompanied the first experimental studies on graphene, has now spread to many other layered crystals, which show unique properties. Because of their inherent atomic thickness, 2D materials can be conveniently studied by transmission electron microscopy (TEM), which has become one of the most powerful and widely employed tools in this field of research. The Ångstrom-level resolution of modern TEMs allows the characterization of 2D materials on the atomic scale, enabling profound understanding of their structural properties. In this thesis, I explore the possibilities of scanning transmission electron microscopy (STEM) beyond traditional imaging based on a four-dimensional (4D) microscopy approach in which the intensity of the scattered electron beam is recorded on a 2D detector at each point of the 2D scanned image. This technique is employed to extract information from 2D materials that could not be accessed by conventional imaging. In particular, I study the three-dimensional atomic structure of a van der Waals crystal consisting of a suspended bilayer of graphene and hexagonal boron nitride, showing that this heterostructure distorts in the out-of-plane direction due to a periodical modulation of the interaction strength between the two layers. Next, I discuss theoretically the possibility of identifying 12 C and 13 C carbon isotopes on the atomic scale in a 13 C-enriched graphene sample. For this work, I simulated the energy loss of electrons elastically scattered to high angles for both isotopes, showing that a tiny difference in the signal should indeed allow unambiguous isotope identification, and I show the first experimental steps in this direction. Finally, I explore a different approach for discerning between isotopes: beam induced knock-on damage is quantified for graphene samples consisting of either 12 C or 13 C atoms, and it is then employed for probing the local isotope concentration in a mixed sample. In conclusion, this work shows how new detection geometries and unconventional techniques in the STEM can successfully contribute to the research on 2D materials.

Autor*innen

Giacomo Argentero

Haupttitel (Englisch)

Understanding 2D Materials with 4D Scanning Transmission Electron Microscopy

Paralleltitel (Deutsch)

Untersuchung von 2D Materialien mittels 4D Rastertransmissionselektronenmikroskopie

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

IV, 120 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Quentin Ramasse ,

Peter Schattschneider

Klassifikation

33 Physik > 33.05 Experimentalphysik

AC Nummer

AC15084198

Utheses ID

43730

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 411 |

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