The present thesis reports on the transmission electron microscopy structure characterization of semiconducting thin films of higher manganese silicides (HMS or MnSi1.7) grown on (001)Si by different UHV deposition methods (the template method, reactive deposition and surfactant mediated reactive deposition). In this work electron diffraction technique was applied for the fist time to reveal the HMS phase growing in thin MnSi1.7 films. The obtained results suggest the presence of the shortest in c-axis length HMS phase, namely Mn4Si7, within our experiments. It has been shown that growth of epitaxial Mn4Si7 grains can be achieved by the template technique. In particular, the influence of the template thickness on the silicide layer quality has been investigated. It has been found that deposition of a thin Mn layer of 0.8 nm nominal thickness at room temperature prior to the Mn/Si codeposition at 550°C causes the formation of a silicide template that leads to the preferred epitaxial Mn4Si7 growth with (110)[4-41]Mn4Si7 || (001)[110]Si. Silicide crystallites of two additional orientation relations, (3-38)[-443]Mn4Si7 || (001)[110]Si and (001)[110] Mn4Si7 || (001)[110]Si, were present at the same template thickness to a lesser extent. Due to the crystal symmetry of Mn4Si7 and Si the epitaxial Mn4Si7 growth on (001)Si leads to the formation of a number of Mn4Si7 domains for each observed orientation. Additional experiments were carried out using the reactive deposition process. It has been shown that the deposition of Mn onto (001)Si at substrate temperatures higher then 600°C leads to the formation of large silicide islands growing with the major part of their elongated grains parallel to <110>Si. XRD investigations show the observed silicide grains to exhibit the following texture: (110)Mn4Si7 || (001)Si. The found island morphology of Mn4Si7 films can be modified by the deposition of about one monolayer of Sb (surfactant) onto (001)Si prior to the Mn-deposition. This process results in an increase of the silicide island density by about two orders of magnitude and decrease of the silicide grain dimensions to nanometer range. Furthermore, in the presence of Sb the silicide layers grow with the preferential orientation: (100)[010]Mn4Si7 || (001)[100]Si. The observed changes in the morphology and orientation of the Mn4Si7 layers can be explained by the reduced diffusion of Mn and Si atoms in the presence of the Sb overlayer. / In der vorliegenden Arbeit wird die Struktur von dünnen MnSi1.7-Schichten, die mit verschiedenen UHV-Herstellungsmethoden (template-Verfahren, reaktive Abscheidung und surfactant gesteuerte Abscheidung) auf (001)Si hergestellt wurden, mittels Elektronenmikroskopie charakterisiert. Die Ergebnisse der Elektronenbeugung an dünnen Mangansilicid-Schichten können vollständig interpretiert werden, wenn von den bekannten höheren Mangansiliciden (HMS) das Mn4Si7 als einzige vorliegende Phase angenommen wird. Der Hauptteil der Arbeit beschäftigt sich mit den mittels template-Verfahren abgeschiedenen Mn4Si7-Schichten. In diesen Experimenten wurde der Einfluss der template-Dicke auf die Morphologie und Orientierung der hergestellten Schichten untersucht. Es wird gezeigt, dass bei der Abscheidung von einer dünnen Mn-Schicht mit einer nominalen Dicke von 0,8 nm bei Raumtemperatur und weiterer Mn/Si-Koabscheidung bei einer Substrattemperatur von 550°C nahezu geschlossene Silicidschichten mit der bevorzugten Orientierungsbeziehung (110)[4-41]Mn4Si7 || (001)[110]Si entstehen. Weiterhin wachsen bei dieser template-Dicke Mn4Si7-Kristallite mit den Orientierungsbeziehungen: (3-38)[-443]Mn4Si7 || (001)[110]Si und (001)[110] Mn4Si7 || (001)[110]Si. Bei jeder gefundenen Orientierungsbeziehung treten beim Wachstum von Mn4Si7 auf (001)Si mehrere Domäne auf. Zusätzliche Experimente wurden unter Verwendung der reaktiven Schichtabscheidung durchgeführt. Sie verdeutlichen, dass bei reaktiver Abscheidung von Mn auf (001)Si ab einer Substrattemperatur von 600°C ein Wachstum von Mn4Si7-Inseln entlang den [110]-Richtungen des Siliciums erfolgt. XRD-Untersuchungen zeigen, dass diese Inseln die folgende Textur haben: (110)Mn4Si7 || (001)Si. Durch eine Modifizierung der Si-Oberfläche mit einer bis zu einer Monolage dicken Sb-Schicht (surfactant) kann das Mn4Si7-Inselwachstum beeinflusst werden. Die dabei gefundene Erhöhung der Mn4Si7-Inseldichte wird hier auf die reduzierte Mn- und Si-Diffusion zurükgeführt. Weiterhin wurde gefunden, dass dieser Abscheidungsprozess Mn4Si7-Kristallite der bevorzugten Orientierung (100)[010]Mn4Si7 || (001)[110]Si liefert.

Cerium oxide (ceria)-based materials in the nanoscale regime are of significant fundamental and technological interest. Nanoceria in pure and doped forms has current and potential use in solid oxide fuel cells, catalysis, UV- screening, chemical mechanical planarization, oxygen sensors, and bio-medical applications. The characteristic feature of Ce to switch between the +3 and + 4 oxidation states renders oxygen buffering capability to ceria. The ease of this transformation was expected to be enhanced in the nanoceria. In most the practical scenarios, it is necessary to have a stable suspension of ceria nanoparticles (CNPs) over longer periods of time. However, the existing literature is confined to short term studies pertaining to synthesis and property evaluation. Having understood the need for a comprehensive understanding of the CNP suspensions, this dissertation is primarily aimed at understanding the behavior of CNPs in various chemical and physical environments. We have synthesized CNPs in the absence of any surfactants at room temperature and studied the aging characteristics. After gaining some understanding about the behavior of this functional oxide, the synthesis environment and aging temperature were varied, and their affects were carefully analyzed using various materials analysis techniques such as high resolution transmission electron microscopy (HRTEM), UV-Visible spectroscopy (UV-Vis), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). When the CNPs were aged at room temperature in as-synthesized condition, they were observed to spontaneously assemble and evolve as fractal superoctahedral structures. The reasons for this unique polycrystalline morphology were attributed to the symmetry driven assembly of the individual truncated octahedral and octahedral seed of the ceria. HRTEM and Fast Fourier Transform (FFT) analyses were used to explain the agglomeration behavior and evolution of the octahedral morphology. Some of the observations were supported by molecular dynamic simulations. Poly (ethylene glycol) (PEG) and ethylene glycol (EG) were used to control the kinetics of this morphology evolution. The ability to control the agglomeration of CNPs in these media stems from the lower dielectric constant and an increased viscosity of the EG and PEG based solvents. CNPs when synthesized and aged in frozen conditions, i.e. in ice, were found to form one dimensional, high aspect ratio structures. A careful analysis has provided some evidence that the CNPs use the porous channels in ice as a template and undergo oriented attachment to form nanorods. When the aging treatment was done near freezing temperature in solution, the nanorods were not observed, confirming the role of channels in ice. When synthesized in aqueous media such as DI water, PEG and EG; CNPs were observed to exhibit a reversible oxidation state switching between +3 and +4. Band gap values were computed from the optical absorption data. The changes in the band gap values observed were attributed to the changes in the oxidation state of CNPs as opposed to the quantum confinement effects, as expected in other nanoparticle systems. The work presented in this dissertation demonstrates, with evidence, that in order to obtain a comprehensive understanding of the properties of nanoscale materials it is of paramount importance to monitor their behavior over relatively longer periods of time under various ambient environments. While the solution based techniques offer a versatility and low cost route to study the fundamental properties of nanomaterials, they suffer some inherent problems such as precursor contamination and uncontrolled chemical reactions. Especially when analyzing the behavior of ceria-based materials for applications like solid oxide fuel cells, a great control in the density and crystalline quality are desired. In order to achieve this, as a first step pure ceria thin films were synthesized using oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy (OPA-MBE). The ceria films were analyzed using various in situ and ex situ techniques to study the crystal structure, growth mode and epitaxial quality of the films. It was observed that the epitaxial orientation of the ceria films could be tuned by varying the deposition rate. When the films were grown at low deposition rate (< 8 Å/min) ceria films with epitaxial (200) orientation were observed where as the films grown at high deposition rates (up to 30 Å/min) showed (111) orientation. Theoretical simulations were used to confirm some of the experimental facts observed in both nanoparticles and thin films.

Ma thèse consiste en l'étude du greffage des molécules de colorant sur des nanoparticules de ZnO, de leurs propriétés optiques et morphologiques, ainsi que les interactions électroniques entre le ZnO inorganique et le colorant organique. Nous avons créé des nanohybrides à base de nanosphères et nanobâtonnets de ZnO par deux voies: Ablation laser femtoseconde en phase liquide et Procédés chimiques. Des particules sphériques de quelques nanomètres sont générées par ablation laser révélant par la photoluminescence l'effet de confinement quantique due à la réduction de taille. Transfert d'excitation des ZnO synthétisées par ablation laser vers les molécules de colorant greffées est détecté par les excitations à un- et deux-photons. La croissance des bâtonnets de ZnO synthétisés chimiquement s'effectue par mûrissement d'Oswald et par attachement orienté. Ces modes de croissance sont étudiées en fonction du temps de synthèse et de la nature des réactants par le Microscope Electronique de Transmission à Haute Résolution. Les propriétés optiques des hybrides dépendent fortement de la forme de ZnO ainsi que du type et concentration du colorant greffé. Nous avons parvenu à remodeler l'énergie de la bande interdite des nanosphères de ZnO dans le système hybride par simple variation de la concentration du colorant. Nous avons ainsi montré l'effet de confinement quantique dû à la création de couches de charges dans le ZnO induites par la porphyrine adsorbée via ses groupes d'attachement COOH.

Functional materials, particularly metal oxides, have been the focus of much attention in solid state chemistry for many years and impact every aspect of modern life. The approach adopted in this thesis to access desirable functionality for enhanced fundamental understanding is via modifying existing materials by deploying reducing synthetic procedures. This work spans several groups of inorganic crystalline materials, but is unified by the development of new properties within host compounds of particular relevance to solid oxide fuel cell technology, which allow interstitial oxide ion conduction at elevated temperatures. The Ca₁₂Al₁₄O₃₂e₂ electride was successfully synthesized by replacing the mobile extra-framework oxygen ions with electrons acting as anions. The high concentration of electrons in the C12A7 electride gives rise to an exceptionally high electronic conductivity of up to 245 S cm⁻¹ at room temperature. Making use of the high density of electrons in Ca₁₂Al₁₄O₃₂e₂ electride, the strong N-N bonds in N₂ was found to be broken when heating Ca₁₂Al₁₄O₃₂e₂ in a N₂ atmosphere. A reaction between silicate apatites and the titanium metal yielded another completely new electride material La₉.₀Sr₁.₀(SiO₄)₆O₂.₄e₀.₂ which was found to be a semiconductor. To fully understand the role of oxygen interstitials in silicate apatites, high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM) was employed as the main technique in probing how the oxygen nonstoichiometry is accommodated at the atomic level. Atomic-resolution imaging of interstitial oxygen in La₉.₀Sr₁.₀(SiO₄)₆O₂.₅ proved to be a success in this thesis. Substitution of oxygen in 2a and interstitial sites with fluoride ions in La[subscript(8+y)]Sr[subscript(2- z)](SiO₄)₆O[subscript(2+(3y-2z)/2)] (0<y<2, 0<z<2) could be an approach to enriching the functionalities in the apatite structure. A wide range of fluoride substitution levels was tolerated in La[subscript(10-x)]Sr[subscript(x)](SiO₄)₆O[subscript(3-1.5x)]F[subscript(2x)] (x= 0.67, 1, 1.5, 2) and AC impedance measurements were found in support of a tentative conclusion that fluoride ions could be mobile in fluorinated apatites. The last part of this thesis was focused on a new class of fast oxide ion conductors based on Ge₅P₆O₂₅ whose performance was superior to both La₉.₀Sr₁.₀(SiO₄)₆O₂.₅ and Ca₁₂Al₁₄O₃₃ in the low temperature range.

Ce travail de thèse porte sur l'organisation de nanoparticules sur des surfaces grâce à une approche originale basée sur le dépôt à faible énergie d'agrégats, préformés en phase gazeuse (approche Bottom-up), sur substrats de graphite HOPG, fonctionnalisés par des réseaux 2D de défauts créés par faisceau d'ions focalisés nano-FIB (approche Top-down). L'obtention de réseaux 2D d'amas d'agrégats est conditionnée par la diffusion des agrégats déposés et leur sensibilité aux défauts artificiels FIB. Le développement de cette approche passe tout d'abord par des simulations Monte-Carlo réalisées dans le cadre du modèle DDA (Dépôt-Diffusion-Agrégation). Ensuite, sa faisabilité expérimentale est testée avec succès en déposant des agrégats d'or. En particulier, cette étude montre la dépendance des propriétés morphologiques et structurales des défauts FIB en fonction de la dose d'ions. Par ailleurs, la sensibilité des agrégats aux défauts FIB, ainsi que la possibilité de contrôler la taille des amas, la période du réseau et sa géométrie sont analysées. Enfin, en se plaçant dans les conditions optimales permettant la meilleure organisation, notre approche est étendue aux agrégats magnétiques Co50Pt50, candidats potentiels au stockage d'information à ultra-haute densité. Une étude de l'influence du recuit sur les réseaux d'agrégats Co50Pt50 montre une amélioration de la qualité de l'organisation, et surtout une transition de phase des agrégats de la structure<br />A1 vers la structure L10.

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.

Aluminiumschichten werden durch Kaltgasspritzen auf fünf verschiedene poly- und monokristalline keramische Werkstoffe (Al2O3 , AlN, SiC, Si3N4 , MgF2 ) appliziert. Dabei erfolgt eine Variation der Substrattemperatur und der Partikelgröße. Ausgewählte Proben werden einer nachfolgenden Wärmebehandlung unterzogen. Die im Fokus der Arbeit stehende Erforschung der an der Grenzfläche zwischen Aluminium und Keramik wirkenden Haftmechanismen erfolgt sowohl mithilfe einer mechanischen Charakterisierung (Stirnzugversuche) als auch durch verschiedene mikroskopische, spektroskopische und hochauflösende Methoden. Die Bewertung der Untersuchungsergebnisse zeigt, dass im Allgemeinen ein Anstieg der Haftzugfestigkeit mit steigender Substrat- und Wärmebehandlungstemperatur sowie mit zunehmender thermischer Effusivität des Substratwerkstoffs zu verzeichnen ist. Eine vergleichbare Auswirkung hat innerhalb bestimmter Grenzen die Zunahme der Partikelgröße. Mit der Heteroepitaxie wird neben der mechanischen Verklammerung ein weiterer wichtiger Haftmechanismus kaltgasgespritzter metallischer Schichten auf keramischen Substraten identifiziert. Die Ausbildung von quasiadiabatischen Scherbändern und statische Rekristallisationsprozesse wirken dabei als wichtige begleitende Mechanismen. Als Nachweis für heteroepitaktisches Wachstum ist die Existenz von (annähernd) parallelen, senkrecht oder geneigt zur Grenzfläche stehenden Ebenenpaaren, die eine geringe Gitterfehlanpassung aufweisen, zu werten. Der Vergleich mit PVD-Schichten zeigt, dass in Bezug auf die Orientierung von Gitterebenen verschiedene Mechanismen der Heteroepitaxie existieren, die von der atomaren Mobilität des Beschichtungswerkstoffs bestimmt werden.