Development of quantitative in situ transmission electron microscopy for nanoindentation and cold-field emission

Cette thèse porte sur le développement d'analyse quantitative d'expérience in situ de microscopie électronique en transmission (MET). Nous avons utilisé un porte objet spécial, qui combine les fonctions de polarisation électrique locale et tests de micro-mécanique. La méthode des éléments finis (MEF) a été mise en œuvre afin de comparer les résultats issus de la modélisation avec les résultats expérimentaux. En plus des techniques d'imagerie classique, l'holographie électronique a été employée pour mesurer des champs électriques et de déformation. La première partie traite de l'émission de champ d'une nanopointe faite d'un cône de carbone (CCnT). Ce nouveau type de matériaux pourrait remplacer les pointes de tungstène qui sont utilisés dans les canons d'électrons les plus avancés. Quand un champ électrique suffisamment fort est appliqué au CCnT, les électrons peuvent passer à travers la barrière d'énergie avec le vide par effet tunnel, ce qui correspond au phénomène d'émission de champ. En combinant holographie électronique avec les simulations MEF, une valeur quantitative du champ électrique local a été obtenue pour l'émission (2,5 V/nm). En faisant appel aux équations de Fowler-Nordheim, une valeur de la fonction de travail de sortie du CCnT est déterminée (4,8±0,3 eV). Nous avons également mesuré les charges sur le CCnT, avant et après le début de l'émission de champ. La deuxième partie porte sur la déformation plastique d'un film mince d'Al pour tester les interactions des dislocation - interface. Une dislocation à proximité d'une interface avec un matériau plus rigide doit être repoussée par celle-ci. Ici, nous constatons que les dislocations qui vont vers l'interface oxydée sont absorbées par cette interface rigide, même à température ambiante. La contrainte locale est déterminée par une combinaison de mesures de forces par le capteur et de calculs MEF. Enfin, des résultats préliminaires de combiner indentation in situ et holographie électronique en champ sombre sont présentés.This thesis has focused on the development of quantitative in situ transmission electron microscopy (TEM) techniques. We have used a special nano-probe sample holder, which allows local electrical biasing and micro-mechanical testing. The finite element method (FEM) was used to compare models with the experimental results. In addition to conventional imaging techniques, electron holography has been used to measure electric fields and strains. The first part addresses cold-field emission from a carbon cone nanotip (CCnT). This novel type of carbon structure may present an alternative to W-based cold-field emission sources, which are used in the most advanced electron guns today. When a sufficiently strong electric field is applied to the CCnT, electrons can tunnel through the energy barrier with the vacuum, which corresponds to the phenomenon of cold-field emission. Using electron holography and FEM, a quantified value of the local electric field at the onset of field emission was found (2.5 V/nm). Combining this with one of the Fowler-Nordheim equations, the exit work function of the CCnT was determined to be 4.8±0.3 eV. The number of charges on the CCnT before and after the onset of field emission was also measured. The second part focuses on the plastic deformation of Al thin films to test dislocation-interface interactions. A dislocation close to an interface with a stiffer material should be repelled by it. Here, we find to the contrary that dislocations moving towards the oxidized interface are absorbed, even at room temperature. The stress was derived from a combination of load-cell measurements and FEM calculations. Finally, preliminary experiments to combine in situ indentation and dark-field electron holography are reported

An STM – SEM setup for characterizing photon and electron induced effects in single photovoltaic nanowires

Vertical arrays of semiconductor nanowires show great potential for material-efficient and high-performance solar cells. The characterization and correlation between material structure and properties of the individual nanowires are crucial for the continued performance improvement of such devices. In this work, we developed a method with a scanning tunneling microscope (STM) probe inside a scanning electron microscope (SEM) to enable the studies of single photovoltaic nanowires. The STM probe is used to contact individual nanowires in ensembles. We combine the STM-SEM with an in situ light emitting diode (LED) illumination source to study both the electrical and photovoltaic properties of vertical GaAs nanowires with radial p-i-n junctions. We also illustrate that the local charge separation ability within the nanowires can be studied by electron beam induced current (EBIC) measurements. The in situ SEM setup allows the correlation between properties and nanowire structure. The data show that the quality of the electrical contact to the semiconductor nanowire is crucial to be able to investigate the inherent properties of the nanowires. We have established a procedure to make high-quality ohmic contacts to the nanowires with the STM probe. We also show that the effect of mechanical strain on the electrical properties can be investigated by the STM-SEM setup

Localized resistance measurements of wrinkled reduced graphene oxide using in-situ transmission electron microscopy

The tunable electrical properties of reduced graphene oxide (rGO) make it an ideal candidate for many applications including energy storage. However, in order to utilize the material for applications it is essential to understand the behavior of the material on the nanoscale, especially how naturally occurring phenomena like wrinkling affect the electronic transport. Here, we use a transmission electron microscope (TEM) with electrical probe in-situ holder to perform localized electrical measurements on wrinkled, supported rGO flakes. The TEM allows for observation of the local wrinkled structure of the rGO and simultaneously an electrical probe is used to perform localized resistance measurements. For these measurements, there is no correlation between the electrode distance and the measured resistance indicating that contact resistance varies and dominates the measurements. There is, however, a correlation between increasing number of wrinkles underneath the probe and decreasing resistance, indicating that the wrinkles can provide surface area for contact with the probe and thus lower the resistance. The overall resistance is on the order of single kOhm, if the contact between the probe and the rGO is optimized. These measurements give evidence that rGO with wrinkling can compete as a leading type of graphene for certain applications

Développement de la microscopie électronique en transmission in situ quantitative pour la nanoindentation et l'émission en champ froid

This thesis has focused on in situ transmission electron microscopy (TEM) techniques and especially quantitative in situ TEM. We have used a special TEM nano-probing sample holder, which combines local electrical biasing and micromechanical testing. Finite element method (FEM) modeling was used to compare with the experimental results. Different electron holography techniques have been used to measure electric fields and strains.The first part of this thesis addresses cold-field emission of a carbon cone nanotip (CCnT). This novel type of carbon structure may be used as an alternative to W-based cold-field emission guns (C-FEG), which are the most advanced electron guns used in TEMs today. When a sufficiently strong electric field is applied to the CCnT, electrons can tunnel through the energy barrier with the vacuum, which corresponds to the phenomenon of cold-field emission. The important parameters are the local electric field around the tip and the exit work function of the material.The experiment was realized by applying, inside the TEM holder, a potential to an anode facing the CCnT. By approaching the CCnT to the anode and increasing the bias, the electric field increased until field emission began. The electrons in the imaging beam of the TEM, arriving perpendicular to the electrons emitted from the CCnT, acquire a phase shift when traveling through the strong electric field. A map of the relative phase shift was obtained using off-axis electron holography. Combining the results with FEM, a quantitative value of the critical local electric field around the tip was obtained for the CCnT emission (2.5 V/nm). Finally, using this information together with one of the Fowler-Nordheim equations, which describes the field emission process, a value of the exit work function of the CCnT is determined (4.8±0.3 eV). We have also measured the charges on the CCnT, before and after the onset of field emission.The second part of the thesis focuses on the plastic deformation of an Al thin film deposited on an oxidized substrate to test dislocation-interface interactions. Here, we used a diamond-equipped microelectromechanical system (MEMS) sensor, to measure the force transmitted to a cross-sectional type sample. This configuration allows the simultaneous observation of moving dislocations processes in the sample and a measure of the applied force. Nanoindentation of a thin sample causes it to bend, and impede a stable image formation. Here, focused ion beam (FIB) was used to sculpture electron transparent sample windows in an H-bar configuration, which provides support for the sample. FEM was used to find the optimum window size that is a good balance between the stiffness provided by the H-bar shape and the side effects generated from the bulk part of the sample.According to dislocation theory, a dislocation close to an interface with a stiffer material should be repelled by it. The force being inversely proportional to the distance, a dislocation under an applied stress should be stationary at a certain distance from the interface. Here, we find that dislocations moving towards the oxidized interface are absorbed by this stiffer interface at room temperature. The stress at which this absorption occurs is derived from a combination of load-cell measurements and FEM calculations, and compared with supposed image force. This extends the findings of dislocation absorption at Al/SiO2 interfaces made at higher temperatures. Finally, a first try to combine in situ indentation and dark-field electron holography is reported. The goal there is to acquire a strain map of the indented sample directly from phase analysis.In addition of being a unique tool to see mechanisms unraveling in materials, in situ TEM techniques can nowadays provide quantitative information. This is achieved both by the development of sensor equipped TEM holders and by expanding previously static imaging techniques, modeling and analysis.Cette thèse porte sur la microscopie électronique à transmission (MET) in situ et surtout à l’aspect quantitatif de cette technique. Nous avons utilisé un porte objet MET spécial à pointe, qui combine polarisation électrique locale et tests de micromécanique. La cartographie par modélisation aux éléments finis (MEF) a été utilisée pour comparer les différents résultats expérimentaux. L’holographie électronique a aussi été utilisée pour mesurer des champs électriques et de déformation.La première partie de cette thèse traite de l’émission de champ froid d’une nanopointe faite d’un cône de carbone (CCnT). Ce nouveau type de structure carbone peut être utilisé comme une solution de rechange aux canons à cathode froide (C-FEG) à pointe de tungstène qui sont les sources d’électrons les plus avancées dans les MET modernes. Quand un champ électrique suffisamment fort est appliqué au CCnT, les électrons peuvent passer par effet tunnel à travers la barrière d’énergie avec le vide, ce qui correspond au phénomène d’émission de champ froid. Les paramètres importants sont le champ électrique local autour de la pointe et le travail de sortie du matériau. L’expérience a été réalisée en appliquant, à l’intérieur du porte-objet, un potentiel à une anode faisant face au CCnT. En s’approchant le CCnT de l’anode et en augmentant la polarisation, le champ électrique augmente jusqu’à ce que l’émission de champ se produise. La pointe est observée en même temps avec le faisceau d’électrons rapide du MET. L’holographie électronique consiste à faire interférer des électrons qui ont passé près de la pointe avec les électrons qui ont traversé une région de faible champ, ce qui permet d’obtenir une carte du déphasage relatif. En combinant les résultats avec les simulations MEF, une valeur quantitative du champ électrique local critique autour de la pointe CCnT a été obtenue pour l’émission (2,5 V/nm). Enfin, en utilisant ces informations en même temps que l’équation de Fowler-Nordheim, qui décrit le processus d’émission de champ, une valeur de la fonction de travail de sortie du CCnT est déterminée (4,8±0.3 eV). Nous avons également étudié les charges sur le CCnT, avant et après le début de l’émission de champ.La deuxième partie de la thèse porte sur la déformation plastique d’un film mince d’Al déposé sur un substrat oxydé pour tester les interactions des dislocation – interface. Ici, nous avons utilisé une pointe diamant montée sur un capteur de force micro-électro-mécanique (MEMS) pour mesurer la force transmise à un échantillon en section transverse. Cette configuration permet l’observation simultanée des processus de dislocations dans l’échantillon et une mesure de la force appliquée. La nanoindentation d’un film mince impose une flexion du film, ce qui perturbe l’acquisition d’image. Ici, un microscope ionique à sonde focalisée (FIB) a été utilisé pour sculpter des fenêtres transparentes aux électrons dans une configuration dite "H–bar", qui offre un maintien mécanique à l’échantillon. Les simulations MEF ont été utilisées pour trouver la taille optimale de la fenêtre, c’est à dire le bon équilibre entre la rigidité grâce à la forme en H et les effets de bord générés par la partie massive de l’échantillon. Selon la théorie des dislocations, une dislocation à proximité d’une interface avec un matériau plus rigide doit être repoussée par celle-ci. La force étant inversement proportionnelle à la distance, une dislocation sous contrainte appliquée doit s’arrêter à une certaine distance de l’interface. Ici, nous constatons que les dislocations qui vont vers l’interface oxydée sont absorbées par cette interface rigide à température ambiante. La contrainte à laquelle cette absorption se produit est dérivée d’une combinaison de mesures de forces par le capteur et de calculs MEF. Ils sont comparés à la force image supposée de la dislocation. Cela étend la validité des résultats d’absorption de dislocations aux interfaces Al/SiO2 faites à des températures plus élevées. Enfin, un premier essai pour combiner indentation in situ et holographie électronique en champ sombre est rapporté. L’objectif est d’acquérir une carte des contraintes de l’échantillon indenté directement à partir de l’analyse de phase.En plus d’être un outil unique pour voir les mécanismes actifs à l’échelle du nanomètre dans les matériaux, les techniques de MET in situ peuvent aujourd’hui fournir des informations quantitatives. Ceci est dû à la fois au développement des porte-objets MET équipé de capteurs et à l’élargissement des techniques d’imagerie statiques

Absorption of crystal/amorphous interfacial dislocations during in situ TEM nanoindentation of an Al thin film on Si

cited By 6International audienceIndentation of an Al film cross-section in situ in a transmission electron microscope at room temperature provides a direct observation of the absorption of threading dislocations by the metal/amorphous interface. The process occurs at a stress of about 100 MPa, a value that has been both calculated using finite-element modelling and directly measured from the dislocation radii. These results indicate that the strength of metallic thin films on oxidized substrates may therefore be weakly dependent on threading and interfacial dislocations

Three Dimensional Visualization of Electromagnetic Fields from One Dimensional Nanostructures

International audienc

In Situ TEM Observation of the Behavior of an Individual Fullerene-Like MoS2 Nanoparticle in a Dynamic Contact

International audienc

Determining the work function of a carbon-cone cold-field emitter by in situ electron holography

International audienceCold-field emission properties of carbon cone nanotips (CCnTs) have been studied in situ in the transmission electron microscope (TEM). The current as a function of voltage, i(V), was measured and analyzed using the Fowler–Nordheim (F–N) equation. Off-axis electron holography was employed to map the electric field around the tip at the nanometer scale, and combined with finite element modeling, a quantitative value of the electric field has been obtained. For a tip-anode separation distance of 680 nm (measured with TEM) and a field emission onset voltage of 80 V, the local electric field was 2.55 V/nm. With this knowledge together with recorded i(V) curves, a work function of 4.8 ± 0.3 eV for the CCnT was extracted using the F–N equation

Low-noise cold-field emission current obtained between two opposed carbon cone nanotips during in situ transmission electron microscope biasing

International audienceA dedicated transmission electron microscope sample holder has been used to study in situ the cold-field emission process of carbon cone nanotips (CCnTs). We show that when using a CCnT instead of a Au plate-anode, the standard deviation of the emission current noise can be decreased from the 10 nA range to the 1 nA range under vacuum conditions of 10−5 Pa. This shows the strong influence of the anode on the cold-field emission current noise

Electric-field-controlled reversible order-disorder switching of a metal tip surface

While it is well established that elevated temperatures can induce surface roughening of metal surfaces, the effect of a high electric field on the atomic structure at ambient temperature has not been investigated in detail. Here we show with atomic resolution using in situ transmission electron microscopy how intense electric fields induce reversible switching between perfect crystalline and disordered phases of gold surfaces at room temperature. Ab initio molecular dynamics simulations reveal that the mechanism behind the structural change can be attributed to a vanishing energy cost in forming surface defects in high electric fields. Our results demonstrate how surface processes can be directly controlled at the atomic scale by an externally applied electric field, which promotes an effective decoupling of the topmost surface layers from the underlying bulk. This opens up opportunities for development of active nanodevices in, e.g., nanophotonics and field-effect transistor technology as well as fundamental research in materials characterization and of yet unexplored dynamically controlled low-dimensional phases of matter.peerReviewe