The sizes, shapes, volumes and compositions of nanoparticles are very important parameters determining many of their properties. Efforts to measure these parameters for individual nanoparticles and to obtain reliable statistics for a large number of nanoparticles require a fast and reliable method for 3-D characterization. In this dissertation, a direct measurement method for thicknesses, volumes or compositions of nanomaterials by quantitative atomic number contrast in High-Angle Annular Dark-Field (HAADF) Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) is presented. A HAADF detector collects electrons scattered incoherently to high angles. The HAADF signal intensity is in first-order approximation proportional to the sample thickness and increases with atomic number. However, for larger sample thicknesses this approach fails. A simple description for the thickness dependence of the HAADFSTEM contrast has been developed in this dissertation. A new method for the calibration of the sensitivity of the HAADF detector for a FEI F30 transmission electron microscope (TEM) is developed in this dissertation. A nearly linear relationship of the HAADF signal with the electron current is confirmed. Cross sections of multilayered samples provided by TriQuint Semiconductors in Apopka, FL, for contrast calibration were obtained by focused ion-beam (FIB) preparation yielding data on the interaction cross section per atom. iv To obtain an absolute intensity calibration of the HAADF-STEM intensity, Convergent Beam Electron Diffraction (CBED) was performed on Si single crystals. However, for samples prepared by the focused ion beam technique, CBED often significantly underestimates the sample thickness. Multislice simulations from Dr. Kirkland’s C codes are used for comparison with experimental results. TEM offers high lateral resolution, but contains little or no information on the thickness of samples. Thickness maps in energy-filtered TEM (EFTEM), CBED and tilt series are so far the only methods to determine thicknesses of particles in TEM. In this work I have introduced the use of wedge-shaped multilayer samples prepared by FIB for the calibration of HAADF-STEM contrasts. This method yields quantitative contrast data as a function of sample thickness. A database with several pure elements and compounds has been compiled, containing experimental data on the fraction of electrons scattered onto the HAADF detector for each nanometer of sample thickness. The use of thick samples reveals an increased signal at the interfaces of high- and low-density materials. This effect can be explained by the transfer of scattered electrons from the high density material across the interface into the less-absorbing low-density material. The calibrations were used to determine concentration gradients in nanoscale Fe-Pt multilayers as well as thicknesses and volumes of individual Au-Fe, Pt, and Ag nanoparticles. Volumes of nanoparticles with known composition can be determined with accuracy better than 15%. Porosity determination of materials becomes available with this method as shown in an example of porous Silicon.

Though ferroelectric HfO₂ thin films are now well characterized, little is currently known about their grain substructure. In particular, the formation of domain and phase boundaries requires investigation to better understand phase stabilization, switching, and phase interconversion. Here, scanning transmission electron microscopy is applied to investigate the atomic structure of boundaries in these materials. It is found that orthorhombic/orthorhombic domain walls and coherent orthorhombic/monoclinic interphase boundaries form throughout individual grains. The results inform how interphase boundaries can impose strain conditions that may be key to phase stabilization. Moreover, the atomic structure near interphase boundary walls suggests potential for their mobility under bias, which has been speculated to occur in perovskite morphotropic phase boundary systems by mechanisms similar to domain boundary motion.

Un système de spectroscopie de réflectance différentielle de surface est adapté sur un bâti de déposition par pulvérisation magnétron afin de suivre in situ et en temps réel les propriétés optiques de films nanocomposites métal:diélectrique. Cette technique permet notamment d'étudier les toutes premières étapes de formation de nanoparticules de métaux nobles dont la réponse optique est dominée par la résonance de plasmon de surface. Cette résonance est sensible à l'environnement des nanoparticules ainsi qu'à leur morphologie et à leur organisation. Pour établir la corrélation entre les propriétés optiques et les nanostructures, des analyses post mortem sont effectuées par microscopie électronique en transmission, en mode balayage, avec un détecteur annulaire champ sombre à grand angle (HAADF-STEM) et par diffusion rayons X aux petits angles obtenue par illumination en incidence rasante (GISAXS). Le suivi in situ de la résonance de plasmon de surface permet d'interpréter les mécanismes de croissance mais aussi les effets de différents traitements classiques - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2), recuit thermique - ou plus originaux en utilisant certaines possibilités de la machine de dépôt - exposition des nanoparticules à des gaz (O2, N2) partiellement ionisés ou à un plasma d'Ar à basse énergie. Enfin les effets d'un recouvrement par une matrice protectrice de Si3N4 sont également étudiés. La spectroscopie optique in situ est donc une technique qui permet de contrôler toutes les étapes de fabrication de films nanocomposites. Couplée avec des analyses post mortem, elle permet en outre de comprendre les phénomènes mis en jeu à l'échelle nanométrique, et d'en quantifier les cinétiques.

Dvě pokročilé vysoce legované austenitické oceli s Fe-Ni-Cr matricí byly studovány za podmínek nízkocyklové únavy jak za pokojové tak vysoké teploty. Široká škála experimentálních a charakterizačních nástrojů byla použita ke studiu vzájemně souvisejících aspektů zahrnujících chemické složení slitin, mikrostrukturu, deformační mechanismy a celkovou odezvu materiálů na externě působící zatížení. Klíčové mechanismy a faktory definující mechanické vlastnosti a výkonnost v reálném provozu byly analyzovány a diskutovány v souvislosti s materiálovým designem. • Standardní únavové experimenty byly provedeny za pokojové teploty a teploty 700°C. Byly získány křivky cyklického zpevnění/změkčení, cyklické deformační křivky, Coffin-Manson a Wöhlerovy křivky. • Ke studiu změn mikrostrukturního stavu slitin v důsledku cyklického zatěžování za pokojové a zvýšené teploty byla použita široká škála technik charakterizace pomocí elektronové mikroskopie. • Únavové chování, pevnost a cyklická plastická odezva studovaných materiálů byla vysvětlena v souvislosti s mikrostrukturními změnami a mikrostrukturními aspekty deformačních mechanismů jak za pokojové tak za zvýšených teplot. • Bylo zjištěno, že Sanicro 25 vykazuje nejvyšší pevnostní charakteristiky ze všech materiálů stejné třídy. Výjimečné vlastnosti této slitiny jsou spojeny s populacemi dvou typů nanočástic, koherentními precipitáty bohatými na měď a nanočásticemi typu MX s charakteristikou disperzoidu. Tyto nanočástice mají klíčový vliv na pevnost a celkovou cyklickou odezvu. V důsledku interakcí s precipitáty způsobujících zachytávání je pohyb dislokací v Sanicro 25 významně zpomalen, což vede k potlačení normálních procesů zotavení obvykle vedoucích ke změně uspořádání dislokační struktury tak, aby byla celková vnitřní energie systému co nejnižší. Takové uspořádání je tvořeno například dislokačními buňkami. Jelikož jsou procesy zotavení potlačeny, dislokační struktura za vysokých teplot je charakteristická homogenní distribucí dislokací o vysoké hustotě s velkou mírou vzájemných interakcí. V kombinaci s dalšími mechanismy zpevnění jako jsou precipitáty a substituční prvky v tuhém roztoku, tyto deformační mechanismy vedou k významnému zvýšení cyklické pevnosti za vysokých teplot.