In situ transmission electron microscopy of diffusion driven solid-solid stuctural transitions

Abstract

In dieser Arbeit wurde in situ TEM genutzt, um Phasendiffusionsprozesse in Echtzeit mit hoher räumlicher Auflösung während struktureller Übergangsphänomene in verschiedenen Systemen zu untersuchen, die durch eine zunehmende Anzahl von Einflussparametern wie Kristallorientierung oder Dehnung charakterisiert sind. Zur Entwicklung und Erprobung der Methode wurde die Interdiffusion an planaren Grenzflächen zwischen (Al,Ga)As-Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung während des Glühens untersucht. Ein neuer hybrider Probenpräparationsansatz wurde verwendet, um die Interdiffusion in der Heterostruktur bei Temperaturen bis zu 800 Grad Celsius mit der in situ Weitwinkel-Dunkelfeld-Rastertransmissionselektronenmikroskopie (HAADF STEM) zu untersuchen. Die beobachtete Grenzflächenverbreiterung zeigte eine starke Abhängigkeit der Diffusionskoeffizienten von der lokalen Zusammensetzung von Al und Ga. Als nächstes wurde HAADF STEM verwendet, um die Phasenseparationsbildung von Bi-reichen Clustern in einem Ga(Sb,Bi)-Film direkt zu beobachten. Die Ergebnisse zeigten, dass sie sich durch spinodale Zersetzung bilden. Der komplexeste strukturelle Übergang, der in dieser Arbeit untersucht wurde, ist die Festphasenepitaxie (SPE) von Ge auf Fe3Si, die zur Bildung einer neuartigen epitaktisch stabilisierten FeGe2-Phase führt. Mittels in situ hochauflösendem (HR)TEM konnten die verschiedenen Schritte dieses Phasenübergangs alle in Echtzeit beobachtet werden. Die Ergebnisse zeigten, dass eine intermediäre CsCl-ähnliche Phase von FeGe2 zunächst durch einen diffusionsbegrenzten Prozess Schicht für Schicht von der Ge/Fe3Si-Grenzfläche aus wächst. Nach einer bestimmten Filmdicke wandelt eine zweite Umwandlung den Film in eine tetragonale Schichtstruktur von FeGe2 um. Dieser Prozess beginnt ebenfalls an der Grenzfläche zum FeGe2 und kann auf Gitterdehnung zurückgeführt werden.

In this work, in situ TEM was utilized to investigate phase diffusional processes in real time with high spatial resolution during structural transition phenomena in various systems which are characterized by an increasing number of impact parameters such as crystal orientation or strain. In order to develop and evaluate the experimental method interdiffusion at planar interfaces between (Al,Ga)As layers of different composition during annealing was investigated. A new hybrid sample preparation approach was used to investigate the interdiffusion in the heterostructure at temperatures up to 800 _C with in situ high angle annular dark field scanning transmission electron microscopy (HAADF STEM). The observed interface broadening revealed a strong dependence of the diffusion coefficients on the local composition of Al and Ga. Next in situ HAADF STEM was used to directly observe the phase separation formation of Bi-rich clusters in a Ga(Sb,Bi) film. The results showed that they form by spinodal decomposition. The most complex structural transition investigated in this work is the solid phase epitaxy (SPE) of Ge on Fe3Si resulting in the formation of a novel epitaxially stabilized FeGe2 phase. By using in situ high resolution (HR)TEM the different steps of this phase transition could all be observed in real time. The results showed that an intermediate CsCl-like phase of FeGe2 grows first by a diffusion limited process layer-by-layer from the Ge/Fe3Si interface. After a certain film thickness, a second transformation transforms the film into a tetragonal layered structure of FeGe2. This process also initiates at the interface to the FeGe2 and can be attributed to strain.