Quantitative TEM and STEM Study of Pt-Nanoparticles Coarsening and Ge(Mn)-based Ferromagnetic Nanostructures

In this work, different systems have been studied using transmission electron microscopy (TEM) methods: Pt nanoparticles on amorphous carbon, Ge quantum dots, Mn incorporation in Ge QDs and GeMn nanocolumns embedded in Ge or GeSn matrix. The structural and chemical observation have been correlated with physical properties

Thermoelectric properties of high quality nanostructured Ge:Mn thin films

We report on the elaboration of germanium manganese nanostructured thin films and the measurement of their thermoelectric properties. We investigate the growth of Ge:Mn layers along with a thorough structural characterization of this materials at the nanoscale. The room temperature thermoelectric properties of these layers containing spherical inclusions are discussed regarding their potential as a model of "electron crystal phonon glass material". We show that the thermal conductivity can be decreased by a factor of 30, even if the electronic properties can be conserved as in the bulk. The thermoelectric performance ZT of such material is as high as 0.15 making them a promising thermoelectric p-type material for Ge related application

Holographic reconstruction of the interlayer distance of bilayer two-dimensional crystal samples from their convergent beam electron diffraction patterns

The convergent beam electron diffraction (CBED) patterns of twisted bilayer samples exhibit interference patterns in their CBED spots. Such interference patterns can be treated as off-axis holograms and the phase of the scattered waves, meaning the interlayer distance can be reconstructed. A detailed protocol of the reconstruction procedure is provided in this study. In addition, we derive an exact formula for reconstructing the interlayer distance from the recovered phase distribution, which takes into account the different chemical compositions of the individual monolayers. It is shown that one interference fringe in a CBED spot is sufficient to reconstruct the distance between the layers, which can be practical for imaging samples with a relatively small twist angle or when probing small sample regions. The quality of the reconstructed interlayer distance is studied as a function of the twist angle. At smaller twist angles, the reconstructed interlayer distance distribution is more precise and artefact free. At larger twist angles, artefacts due to the moir\'e structure appear in the reconstruction. A method for the reconstruction of the average interlayer distance is presented. As for resolution, the interlayer distance can be reconstructed by the holographic approach at an accuracy of 0.5 A, which is a few hundred times better than the intrinsic z-resolution of diffraction limited resolution, as expressed through the spread of the measured k-values. Moreover, we show that holographic CBED imaging can detect variations as small as 0.1 A in the interlayer distance, though the quantitative reconstruction of such variations suffers from large errors

Mapping grain boundary heterogeneity at the nanoscale in a positive temperature coefficient of resistivity ceramic

Despite being of wide commercial use in devices, the orders of magnitude increase in resistance that can be seen in some semiconducting BaTiO3-based ceramics, on heating through the Curie temperature (TC), is far from well understood. Current understanding of the behavior hinges on the role of grain boundary resistance that can be modified by polarization discontinuities which develop in the ferroelectric state. However, direct nanoscale resistance mapping to verify this model has rarely been attempted, and the potential approach to engineer polarization states at the grain boundaries, that could lead to optimized positive temperature coefficient (PTC) behavior, is strongly underdeveloped. Here we present direct visualization and nanoscale mapping in a commercially optimized BaTiO3-PbTiO3-CaTiO3 PTC ceramic using Kelvin probe force microscopy, which shows that, even in the low resistance ferroelectric state, the potential drop at grain boundaries is significantly greater than in grain interiors. Aberration-corrected scanning transmission electron microscopy and electron energy loss spectroscopy reveal new evidence of Pb-rich grain boundaries symptomatic of a higher net polarization normal to the grain boundaries compared to the purer grain interiors. These results validate the critical link between optimized PTC performance and higher local polarization at grain boundaries in this specific ceramic system and suggest a novel route towards engineering devices where an interface layer of higher spontaneous polarization could lead to enhanced PTC functionality

Organisation and Governance of Urban Energy Systems:District Heating and Cooling in the UK

International audienc

Étude quantitative TEM et STEM du mûrissement de nanoparticules de Pt et de semi-conducteur ferromagnétique Ge(Mn)

In this work, different system have been studied using transmission electron microscopy (TEM) methods: Pt nanoparticles (NPs) on amorphous carbon, Ge quantum dots (QDs), Mn incorporation in Ge QDs and GeMn nanocolumns (NCs) embedded in Ge or GeSn matrix. The coarsening of Pt NPs on amorphous carbon film was studied by high resolution TEM (HRTEM) after annealing at temperatures between 200°C and 300°C for periods of up to 160 hours. A significant increase of the average particle size is observed with increasing annealing time for all investigated temperatures. An in-situ annealing experiment reveals two coarsening stages. The first coarsening stage is dominated by Smoluchowski ripening whereas the second coarsening stage is dominated by surface Ostwald ripening. The Arrhenius-type dependence of the derived surface mass-transport coefficients yields an activation energy Ed = 0.84 ± 0.08 eV/atom for the surface diffusion of Pt atoms on an amorphous carbon substrate. Advanced TEM methods have be used to obtain direct determination of composition profiles with atomic resolution and large field of view by correlation of high angle annular dark field (HAADF) and electron energy loss spectroscopy (EELS) signals. This method was used to obtain a direct and precise quantification of Ge concentration at the atomic level for the SiGe system. The Ge concentration profile along the growth direction was explained by Ge surface segregation during the growth with a two-state exchange model. The incorporation of Mn in Ge QDs have been performed by molecular beam epitaxy (MBE) growth of GeMn. At growth temperature of 380°C, SiMn precipitates are formed. Lowering the growth temperature at 220°C allows limiting the lateral segregation of Mn in Ge and incorporating Mn in Ge QDs. Absolute chemical composition by STEM-EELS evidenced that the total atomic density in Ge(Mn) NCs is almost two times higher than in the Ge matrix. Structural analysis by HRTEM shows that the crystalline NCs exhibit a high degree of disorder. Experimental observation can be model with a modified α-phase structure if variants are introduced to cancel reflexions and Ge atoms are substituted by Mn atoms. The structural and magnetic properties of GeSnMn films grown on Ge(001) by low temperature MBE (LTMBE) have been studied. Like in Ge(Mn) films, Mn atoms diffuse during the growth and aggregate into vertically aligned Mn-rich NCs of a few nanometers in diameter. TEM observations in plane view clearly indicate that the Sn incorporation is not uniform with concentration in Mn rich vertical NCs lower than the EELS detection limit. The matrix exhibits a GeSn solid solution while there is a Sn-rich GeSn shell around GeMn NCs. The magnetization in GeSnMn layers is higher than in GeMn films. This magnetic moment enhancement in GeSnMn is probably related to the modification of the electronic structure of Mn atoms in the NCs by the Sn-rich shell, which is formed around the NCs.Dans ce travail, différent systèmes ont été étudiés par des méthodes de microscopie électronique en transmission (TEM) : nanoparticules (NPs) de Pt sur du carbone amorphe, boîtes quantiques (QDs) de Ge, l'incorporation du Mn dans les QDs de Ge and des nanocolonnes (NCs) GeMn dans une matrice de Ge pure ou de GeSn. Le mûrissement de NPs de Pt sur un film de carbone amorphe a été étudié par TEM haute résolution (HRTEM) après des recuits à des températures comprises entre 200 °C et 300 °C pour des durées allant jusqu'à 160 h. Une augmentation significative de la taille moyenne des particules est observé en augmentation la durée du recuit pour toutes les températures étudiées. Une expérience de recuit in-situ a révélée deux étapes de mûrissement. La première est dominée par le mûrissement de Smoluchowski tandis que la seconde est dominée par le mûrissement d'Oswald de surface. La dépendance de type Arrhenius du coefficient de transport de masse de surface donne une énergie d'activation de Ed = 0.84 ± 0.08 eV/atome pour la diffusion des atomes de Pt sur un substrat de carbone amorphe. Des méthodes de TEM avancée ont été utilisé pour déterminer directement des profiles de concentration à l'échelle atomique et grand champ de vue par corrélation de signaux de champ sombre annulaire à grand angle (HAADF) et de spectroscopie de perte d'énergie d'électron (EELS). Cette méthode a été appliquée à l'étude de la concentration de Ge à l'échelle atomique dans le system SiGe. Le profile de concentration le long de la direction de croissance est expliqué par la ségrégation de surface des atomes de Ge pendant la croissance avec un modèle d'échange à deux états. L'incorporation de Mn dans les boîtes de Ge a été effectuée par croissance par jets moléculaire (MBE) de GeMn. Des précipités de SiMn sont formés pour des températures de croissance de 380 °C. La diminution de la température de croissance à 220 °C permet de limiter la ségrégation latérale de Mn et d'incorporer le Mn dans les QDs de Ge. Les compositions chimiques absolues obtenues par STEM-EELS prouvent que la densité atomique totale dans les NCs de GeMn est presque deux fois supérieure par rapport à la matrice de Ge. Des études structurales par HRTEM montrent les NCs cristallines sont très désordonnées. Les observations expérimentales peuvent être modélisées par une structure de phase α modifié, si des variants sont introduits pour annuler des réflexions de Bragg et des atomes de Ge sont substitués par des atomes de Mn. Les propriétés structurales et magnétiques de films GeSnMn croît par MBE à basse température (LTMBE) ont été étudiées. De manière similaire aux films GeMn, les atomes de Mn diffusent pendant la croissance et s'agrègent pour former des NCs de quelques nanomètres de diamètre, alignées verticalement et riche en Mn. Les observations TEM en vue plane montrent clairement que l'incorporation de Sn n'est pas homogène avec des concentrations en Sn dans les NCs inférieures à la limite de détection de l'EELS. La matrice présente une solution solide tandis qu'une coquille riche en Sn est formée autour des NCs de GeMn. La magnétisation dans les couches de GeSnMn est plus élevée que dans celles de GeMn. L'augmentation du moment magnétique dans les couches de GeSnMn est probablement due à la modification de la structure électronique des atomes de Mn in the NCs par la coquille de Sn

Étude quantitative TEM et STEM du mûrissement de nanoparticules de Pt et de semi-conducteur ferromagnétique Ge(Mn)

In this work, different system have been studied using transmission electron microscopy (TEM) methods: Pt nanoparticles (NPs) on amorphous carbon, Ge quantum dots (QDs), Mn incorporation in Ge QDs and GeMn nanocolumns (NCs) embedded in Ge or GeSn matrix. The coarsening of Pt NPs on amorphous carbon film was studied by high resolution TEM (HRTEM) after annealing at temperatures between 200°C and 300°C for periods of up to 160 hours. A significant increase of the average particle size is observed with increasing annealing time for all investigated temperatures. An in-situ annealing experiment reveals two coarsening stages. The first coarsening stage is dominated by Smoluchowski ripening whereas the second coarsening stage is dominated by surface Ostwald ripening. The Arrhenius-type dependence of the derived surface mass-transport coefficients yields an activation energy Ed = 0.84 ± 0.08 eV/atom for the surface diffusion of Pt atoms on an amorphous carbon substrate. Advanced TEM methods have be used to obtain direct determination of composition profiles with atomic resolution and large field of view by correlation of high angle annular dark field (HAADF) and electron energy loss spectroscopy (EELS) signals. This method was used to obtain a direct and precise quantification of Ge concentration at the atomic level for the SiGe system. The Ge concentration profile along the growth direction was explained by Ge surface segregation during the growth with a two-state exchange model. The incorporation of Mn in Ge QDs have been performed by molecular beam epitaxy (MBE) growth of GeMn. At growth temperature of 380°C, SiMn precipitates are formed. Lowering the growth temperature at 220°C allows limiting the lateral segregation of Mn in Ge and incorporating Mn in Ge QDs. Absolute chemical composition by STEM-EELS evidenced that the total atomic density in Ge(Mn) NCs is almost two times higher than in the Ge matrix. Structural analysis by HRTEM shows that the crystalline NCs exhibit a high degree of disorder. Experimental observation can be model with a modified α-phase structure if variants are introduced to cancel reflexions and Ge atoms are substituted by Mn atoms. The structural and magnetic properties of GeSnMn films grown on Ge(001) by low temperature MBE (LTMBE) have been studied. Like in Ge(Mn) films, Mn atoms diffuse during the growth and aggregate into vertically aligned Mn-rich NCs of a few nanometers in diameter. TEM observations in plane view clearly indicate that the Sn incorporation is not uniform with concentration in Mn rich vertical NCs lower than the EELS detection limit. The matrix exhibits a GeSn solid solution while there is a Sn-rich GeSn shell around GeMn NCs. The magnetization in GeSnMn layers is higher than in GeMn films. This magnetic moment enhancement in GeSnMn is probably related to the modification of the electronic structure of Mn atoms in the NCs by the Sn-rich shell, which is formed around the NCs.Dans ce travail, différent systèmes ont été étudiés par des méthodes de microscopie électronique en transmission (TEM) : nanoparticules (NPs) de Pt sur du carbone amorphe, boîtes quantiques (QDs) de Ge, l'incorporation du Mn dans les QDs de Ge and des nanocolonnes (NCs) GeMn dans une matrice de Ge pure ou de GeSn. Le mûrissement de NPs de Pt sur un film de carbone amorphe a été étudié par TEM haute résolution (HRTEM) après des recuits à des températures comprises entre 200 °C et 300 °C pour des durées allant jusqu'à 160 h. Une augmentation significative de la taille moyenne des particules est observé en augmentation la durée du recuit pour toutes les températures étudiées. Une expérience de recuit in-situ a révélée deux étapes de mûrissement. La première est dominée par le mûrissement de Smoluchowski tandis que la seconde est dominée par le mûrissement d'Oswald de surface. La dépendance de type Arrhenius du coefficient de transport de masse de surface donne une énergie d'activation de Ed = 0.84 ± 0.08 eV/atome pour la diffusion des atomes de Pt sur un substrat de carbone amorphe. Des méthodes de TEM avancée ont été utilisé pour déterminer directement des profiles de concentration à l'échelle atomique et grand champ de vue par corrélation de signaux de champ sombre annulaire à grand angle (HAADF) et de spectroscopie de perte d'énergie d'électron (EELS). Cette méthode a été appliquée à l'étude de la concentration de Ge à l'échelle atomique dans le system SiGe. Le profile de concentration le long de la direction de croissance est expliqué par la ségrégation de surface des atomes de Ge pendant la croissance avec un modèle d'échange à deux états. L'incorporation de Mn dans les boîtes de Ge a été effectuée par croissance par jets moléculaire (MBE) de GeMn. Des précipités de SiMn sont formés pour des températures de croissance de 380 °C. La diminution de la température de croissance à 220 °C permet de limiter la ségrégation latérale de Mn et d'incorporer le Mn dans les QDs de Ge. Les compositions chimiques absolues obtenues par STEM-EELS prouvent que la densité atomique totale dans les NCs de GeMn est presque deux fois supérieure par rapport à la matrice de Ge. Des études structurales par HRTEM montrent les NCs cristallines sont très désordonnées. Les observations expérimentales peuvent être modélisées par une structure de phase α modifié, si des variants sont introduits pour annuler des réflexions de Bragg et des atomes de Ge sont substitués par des atomes de Mn. Les propriétés structurales et magnétiques de films GeSnMn croît par MBE à basse température (LTMBE) ont été étudiées. De manière similaire aux films GeMn, les atomes de Mn diffusent pendant la croissance et s'agrègent pour former des NCs de quelques nanomètres de diamètre, alignées verticalement et riche en Mn. Les observations TEM en vue plane montrent clairement que l'incorporation de Sn n'est pas homogène avec des concentrations en Sn dans les NCs inférieures à la limite de détection de l'EELS. La matrice présente une solution solide tandis qu'une coquille riche en Sn est formée autour des NCs de GeMn. La magnétisation dans les couches de GeSnMn est plus élevée que dans celles de GeMn. L'augmentation du moment magnétique dans les couches de GeSnMn est probablement due à la modification de la structure électronique des atomes de Mn in the NCs par la coquille de Sn