Electron-Beam Manipulation of Silicon Dopants in Graphene

The direct manipulation of individual atoms in materials using scanning probe microscopy has been a seminal achievement of nanotechnology. Recent advances in imaging resolution and sample stability have made scanning transmission electron microscopy a promising alternative for single-atom manipulation of covalently bound materials. Pioneering experiments using an atomically focused electron beam have demonstrated the directed movement of silicon atoms over a handful of sites within the graphene lattice. Here, we achieve a much greater degree of control, allowing us to precisely move silicon impurities along an extended path, circulating a single hexagon, or back and forth between the two graphene sublattices. Even with manual operation, our manipulation rate is already comparable to the state-of-the-art in any atomically precise technique. We further explore the influence of electron energy on the manipulation rate, supported by improved theoretical modeling taking into account the vibrations of atoms near the impurities, and implement feedback to detect manipulation events in real time. In addition to atomic-level engineering of its structure and properties, graphene also provides an excellent platform for refining the accuracy of quantitative models and for the development of automated manipulation.Comment: 5 figures, 4 supporting figure

Electron microscopy imaging of radiation-sensitive specimens with atomic resolution

Die Möglichkeit, Proben mit hoher Elektronenstrahlsensitivität im Transmissionselektronenmikrosop zu untersuchen hat die strukturelle Biologie in den letzten Jahrzehnten revolutioniert. Um in wasserlöslichen Molekülen Schäden durch Dehydrierung vorzubeugen, werden diese hauptsächlich mittels niedrigdosis Kryoelektronenmikroskopie untersucht. Der limitierende Faktor dieser Methode, welche kürzlich mit dem Nobelpreis in Chemie ausgezeichnet wurde, ist jedoch die dafür notwendige hohe Molekülgröße von einigen tausend Atomen. Biologische Moleküle sind normalerweise groß genug für eine erfolgreiche Anwendung dieser Methode, kleine organische Moleküle und ähnliche Proben sind jedoch nicht geeignet. In den Materialwissenschaften sind die meisten elektronenstrahlsensitiven Proben jedoch letzgenannter Art, insbesondere wegen des hohen Interesses für kohlenstoffbasierte und niedrigdimensionale Materialien in den letzten Jahren. In dieser Arbeit werden daher Methoden zur Erfassung und Bearbeitung von niedrigdosis Rastertransmissionselektronenmikroskopiedaten elektronenstrahlsensitiver Proben entwickelt. Zunächst wird eine Maximum-Likelihood-Methode vorgestellt, die erfolgreich Probenstrukturen aus niedrigstdosis Rastertransmissionselektronenmikroskopiedaten rückgewinnen kann, auch wenn keinerlei Strukturen in den einzelnen Bildern sichtbar sind. Diese Methode berücksichtigt den gesamten Datensatz für die Rekonstruktion und kann somit durch Rauschen verdeckte, häufig autretende Merkmale hervorbringen. Um geeignete Datensätze aufzuzeichnen, darf der abzubildende Probenbereich vor der eigentlichen Datenerfassung keiner Elektronenstrahlung ausgesetzt werden. Dies wird durch eine automatisierte Datenerfassung ermöglicht, wobei der Probentisch im Nion UltraSTEM 100 in einem regelmäßigen Raster über den abzubildenden Bereich geführt wird. Dabei wird der korrekte Fokus durch Interpolation zwischen mehreren, durch den Benutzer gewählten, Stützstellen errechnet. Um die Effizienz von Elektronendetektoren zu verbessern, welche eine wichtige Rolle für die Qualität der aufgenommenen Niedrigdosisdaten spielt, wurde außerdem eine rein auf Software basierende Lösung zum zählen einzelner aud den Detektor treffenden Elektronen entwickelt. Es wird gezeigt, dass damit Ausreißer aus den Daten entfernt werden können und der Kontrast in den Bildern erhöht werden kann. Am Anfang des Ergebnisteils werden alle diese Methoden kombiniert und damit Defekte in Graphen aus niedrigdosis Rastertransmissionselektronenmikroskopiedaten rekonstruiert. Im Folgenden wird dann auf organische Moleküle und durch Elektronenbestrahlung hervorgerufene Schädigungsmechanismen in dieser Materialklasse eingegangen. Durch die Kombination von Niedrigdosisabbildungen und Translationsmittelung können außerdem atomar aufgelöste Bilder eines einlagigen organischen Kristalls erzeugt werden. Zusätzlich werden detaillierte Einblicke in die in der Literatur vorgeschlagenen Schädigungsmechanismen erzielt. Der Fokus des letzten Abschnitts liegt auf der Implantation von Stickstoff in Graphen mittels Ionen niedriger Energie. Neben der Beeinflussung der elektronischen Eigenschaften des Materials, erlaubt es diese Methode auch auf kontrollierte Weise Defekte in Graphen zu erzeugen. Solche Defekte können dabei helfen, einzelne organische Moleküle auf der Oberfläche zu immobilisieren und es damit ermöglichen diese, unter Normalbedingungen hochgradig mobilen, Materialien abzubilden.Being able to image highly electron-beam sensitive specimens in the transmission electron microscope has revolutionized the field of structural biology over the past few decades. In order to prevent damage by dehydration of water-soluble molecules, low-dose cryo electron microscopy is the method-of-choice in this field. The main limitation of this method, which has recently been awarded with the Nobel price in chemistry, is its need for fairly large molecules (> a few thousand atoms) to be successful. While bio-molecules are usually large enough, small organic molecules and similar objects are not suitable for this. However, beam-sensitive specimens in materials science are mostly of this kind, especially with the recent interest in carbon-based and low-dimensional materials. This thesis therefore focuses on the development of acquisition and processing methods for low-dose scanning transmission electron microscopy. First, we present a maximum-likelihood reconstruction algorithm that can successfully recover structures from very-low dose (scanning) transmission electron microscopy data, where no structure is visible in the individual images. By considering the whole data set at once, this method can find frequently occurring features that are hidden in the noise. In order to acquire suitable low-dose data sets, one has to ensure that no dose is put into the area-of-interest prior to imaging the sample for focusing and tuning. To achieve this, we have developed an automated approach that moves the sample stage of the Nion UltraSTEM 100 across the area-of-interest in a regular pattern. The correct focus is thereby obtained by interpolation between several user-selected sampling points. In order to improve the detector efficiency, which plays an important role in low-dose electron microscopy, we developed a pure software approach to count individual electrons. We demonstrate that this method can effectively remove outliers from the data and that it increases the contrast in the low-dose images. By applying all of these methods we are able to successfully reconstruct point-defects in graphene from low-dose scanning transmission electron microscopy data in the first part of the results section. The next section focuses on analyzing organic molecules and electron-beam induced damage in this material. By combining low-dose imaging with translational averaging we are able to obtain atomically resolved images of a mono-layer organic crystal. Additionally we can gain insights into the damage mechanisms in this material that were proposed in literature earlier. The last part focuses on low-energy ion implantation of nitrogen into graphene, which, besides changing the electronic properties of the material, also allows to create defects in graphene in a controlled way. These defects could act as pinning centers for adsorbates, thus facilitating low-dose imaging of organic molecules on graphene which are typically highly mobile under ambient conditions

Maximum likelihood reconstruction of low-dose STEM data

<p>This is a test data set for the low-dose reconstruction software available at <a href="https://github.com/Brow71189/low-dose-reconstruction">github.com/Brow71189/low-dose-reconstruction</a>. It is part of my PhD thesis, in particular the appendix, where the reconstruction process is described and the reader should be able to reproduce the results with this data set and the above mentioned software.</p

Entwicklung eines generischen Hubschrauber-Kabinenrahmens mit Verglasung für Vogelschlaguntersuchungen

Title: Development of a generic helicopter canopy fram with front glazing for bird strike analysis Summary: Within the internship numerical studies with respect of materials and windshield design of rotorcraft cockpit canopies were performed. The objective of a generic helicopter canopy frame with transparency is to deliver a study modell for impact analyses in early project phases. For this purpose, the design features of current helicopter canopies were studied. These were generalised and implemented into a full-scale model. The demonstrator structure incorporates a single-curved, structurally bonded windshield with a closed-profile canopy frame made of carbon composite (CFRP). This design was transferred into finite elemente models with typical bird strike load cases. Modern modelling approaches like a strain-rate depended material modell for the polycarbonate windshield were incorporated. The structural behaviour was analysed in terms fo damage in the windshield out of transparent thermoplastics, the impulse transfer by the bird modell and indentation or deformation with respect to the pilot head. The explicit FE solver VPS (formelly known as PAM-CRASH) by ESI was applied. \\ Titel: Entwicklung eines generischen Hubschrauber-Kabinenrahmens mit Verglasung für Vogelschlaguntersuchungen Kurzfassung: Innerhalb der Praxisarbeit wurden numerische Studien hinsichtlich des Materials und des Scheibenaufbaus,von Hubschrauberkanzeln durchgeführt. Die Idee eines generischen Rahmens mit Verglasung dient dem Ziel in frühen Projektphasen ein Modell für Impact-Untersuchung bereitzustellen. Hierzu wurden typische Konstruktionsdetails von mehreren aktuellen Hubschraubermodellen untersucht. Davon wurde ein Demonstrator in Vollmaßstab abgeleitet, das eine einfach gekrümmte, ausschließlich geklebte Windschutzscheibe sowie einen Kohlefaserverbundkunststoff (CFK) als geschlossenes Profil enthält. Aufbauend auf der Konstruktion wurden Finite Elemente Modelle für verschiedene Lastfälle wurden aufgebaut. Aktuelle Modellierungstechniken wie z. B. ein dehnraten-abghängiges Materialmodell für Scheiben aus Polycarbonat wurde implementiert. Das Strukturverhalten wurde in Bezug auf Schädigung der Scheibe, Kraftwirkung durch den Vogel-Impuls, Durchbiegung der Scheibe in Bezug auf den Pilotenkopf untersucht. Es wurde der explizite FE Löser VPS (PAM-CRASH) der Firma ESI verwendet

Konzeptentwicklung und Simulation einer bionischen Hubschrauberkabinenstruktur unter Betrachtung des Vogelschlags

Title: Design concept and simulation of a biomimetic helicopter canopy structure with respect to bird strike Summary: Bird strike poses a risk on the aviation which has effects in terms of damage to the airframe structures and critical flight conditions. So far biomimetic designs have shown proven structural solutions under static loadings. Based on this potential, it was analysed if an optimisation for dynamic loadings is possible. The objective of this work is to develop a biomimetic concept for a rotorcraft radome. The findings were transferred into finite element simulation. The behaviour of the biomimetic structure under bird strike was compared to a reference component designed as a typical sandwich construction with face sheets of glass fibre reinforced plastics (GFRP) A screening of impact resistant biological structures in wildlife was performed. The hammer of the peacock mantis shrimp (lat. Odontodactylus scyllarus) was found to be the best fitting model organism. Its structure was abstracted and transferred into a technically applicable design. This developed design was analysed in different configurations, load cases and modelling & simulation approaches. The monolithic radome based on a biomimetic structure could reach a weight reduction of approximately 15 % compared to a an aeronautical sandwich for this component. By its nature, a catastrophic damage in case of impact can be avoided in contrast to the reference. This impact resilience presumably makes a continued safe flight possible. // Titel: Konzeptentwicklung und Simulation einer bionischen Hubschrauberkabinenstruktur unter Betrachtung des Vogelschlags Kurzfassung: Vogelschlag stellt in der Luftfahrt ein großes Risiko dar, aus welchem enorme Schäden und kritische Flugsituationen entstehen können. Da die Bionik bereits unter statischen Belastungen ein großes Potential zur Optimierung gezeigt hat, gilt es zu klären, inwiefern dies auch unter dynamischen Belastungen möglich ist. Ziel dieser Arbeit ist es, ein bionisches Konzept für ein Hubschrauber-Radom zu entwickeln und die gewonnenen Erkenntnisse per Finite Elemente Simulation zu untersuchen. Hierzu wird das Verhalten der bionischen Struktur unter Vogelschlag mit dem eines Referenzbauteils in klassischer Sandwichbauweise mit Deckschichten aus glasfaservestärktem Kunststoff verglichen. Anhand eines Screenings werden Analogien zu schlag-resistenten Strukturen in der Biologie gesucht und bewertet. Der am besten geeignete Modellorganismus in Fauna und Flora, der Hammer des Fangschreckenkrebs (lat. Odontodactylus scyllarus), wird abstrahiert, sodass die Struktur technisch nutzbar wird. Die entwickelte Struktur wird in verschiedenen Konfigurationen, Modellierweisen und unter mehreren Lastfällen simuliert. Anhand der bionischen Struktur wird ein monolithisches Radom entwickelt, dessen Gewicht um zirka 15% unter dem des klassischen Sandwich-Bauteils liegt. Gleichzeitig wird ein katastrophaler Schaden im Vergleich zum Referenzbauteil verhindert und somit die Wahrscheinlichkeit eines sicheren Weiterfluges erhöht