L’échange d’énergie par rayonnement est proportionnel à l’émissivité. Ce facteur dépend de la température et de la longueur d’onde mais aussi de l’état de surface, de la composition et de la phase. Sa mesure précise est donc toujours un défi à cause des influences connues ou inconnues. Par rapport à d’autres travaux, le but de ce travail est de l’étudier dans des conditions extrêmes, des températures cryogéniques aux hautes températures : Nous avons ainsi étudié à 80K l’absorption d’un diélectrique pour la protection thermique d’un satellite et celles de surfaces en or de différentes rugosités. A la température ambiante nous avons déterminé par une méthode en réflexion, l’émission de vitrages dans le but de la recherche d‘économie d’énergie. Nous avons aussi étudié la variation de l’émissivité pendant le changement de phase solidus-liquidus et α-β de second ordre. Autour de 100°C le soufre devient plus émissif lorsqu’il passe du solide au liquide mais par contre il n’y a pas de différence sur l’émissivité pour ses deux variétés allotropiques principales. A une beaucoup plus haute température, le silicium liquide se comporte comme un métal avec une émissivité très faible et un saut net a été constaté à son passage au point de fusion. Une variation marquée de l’émissivité pour les deux phases solides du SiC a été observée entre 8-11μm dans notre étude. Contrairement aux résultats de la littérature, les sommets d’émissivité diminuent progressivement avec l’augmentation de la température. Enfin trois points X, longueur d’onde où l’émissivité ne dépend pas de la température, ont été observés pour chaque phase. / Heat transferred by radiation is proportional to the emissivity. This coefficient depends not only on the wavelength and the temperature, but also on the surfaceroughness, the chemical composition and the phase. A precise measurement is always a challenge because of the known and unknown factors. Compared with others, this thesis aims at the studies in extreme conditions, from cryogenic temperature to very high temperature: The absorptivity of a dielectric applied to the thermal protector for the satellite and the emissivity of gold surfaces with different roughness have been measured at 80K. The emissivity of different windows has been determined by the reflection method at room temperature for the research of energy saving. We have also studied the variation of the emissivity during the solid to liquid and α-β phase transition. The sulfur becomes more emissive when it changes from solid to liquid around 100°C, but there is no difference on the emissivity between its two major allotropies. The liquid silicon behaves like a metal with a very low emissivity and an obvious bound has been measured when it crosses its melting point. A marked variation of the emissivity of SiC for its two solid-state phases has been observed between 8-11μm. Contrary to other results, the peak values of the emissivity attenuate with the increase of temperature. Finally, three X points at which the emissivity doesn’t depend on the temperature have been measured for each phase.

Since their discovery at the beginning of the 21st century, two-dimensional (2D) materials have emerged as one of the most exciting material groups offering unique properties which promise a plethora of potential applications in nanoelectronics, quantum computing, and surface science. The progress in the study of 2D materials has advanced rapidly stimulated by the ever-growing interest in their behavior and the fact that they are the ideal specimen for transmission electron microscopy (TEM), as their geometry allows to identify every single atom. Their morphology – 2D materials consist of “surface” only – at the same time makes them sensitive to beam damage, since high-energy electrons easily sputter atoms and introduce defects. While this is in general not desirable – as non-destructive imaging is aimed at – it allows to precisely quantify the damage in TEM and even pattern the 2D material with atomic resolution using the electron beam. Alternatively, patterning of 2D materials can be achieved using focused ion irradiation, which makes studying its effect on 2D materials relevant and essential. In this thesis, we theoretically study the effects of electron and ion irradiation on 2D materials, exemplarily on 2D MoS2 . Specifically, we address the combined effect of electronic excitations and direct momentum transfer by high-energy electrons (knock-on damage) in 2D MoS2 using advanced first-principles simulation techniques, such as Ehrenfest dynamics based on time-dependent density functional theory (DFT). Here, we stress the importance of the combined effect of ionization damage and knock-on damage as neither of these alone can account for experimentally-observed defect production below the displacement threshold – the minimum energy required for the displacement of an atom from the pristine system. A mechanism of defect production relying on the localization of the electronic excitation at the emerging vacancy site is presented. The localized excitation eventually leads to a significant drop in the displacement threshold. The combination of electronic excitation and knock-on damage may in addition to beam-induced chemical etching explain the observed sub-threshold damage in low voltage TEM experiments. Apart from non-destructive imaging, electrons may be used to modify the 2D material intentionally. In this light, we consider the electron-beam driven phase transformation in 2D MoS2 , where the semiconducting polymorph transforms into its metallic counterpart. The phase energetics and a possible transformation mechanism under electron irradiation are investigated using DFT based first-principles calculations. The detailed understanding of the interaction of the electron beam with the 2D material promises to improve the patterning resolution enabling circuit design on the nanoscale. Ion irradiation employed in focussed ion beams (FIB), e.g., the helium ion microscope (HIM) constitutes another tool widely used to pattern and even image 2D materials. Ion bombardment experiment usually carried out for the 2D material placed on a substrate are frequently rationalized using simulations for free-standing systems neglecting the effect of the substrate. Combining Monte Carlo with analytical potential molecular dynamics simulations, we demonstrate that the substrate plays a crucial role in damage production under ion irradiation and cannot be neglected. Especially for light ions such as He and Ne, which are usually used in the HIM, the effect of the substrate needs to be considered to account for the increased number of defects and their broadened spatial distribution which limits the patterning resolution for typical HIM energies. / Seit ihrer Entdeckung Anfang des 21. Jahrhunderts haben sich zwei-dimensionale (2D) Materialien zu einer der spannendsten Materialklassen im Forschungsfeld aus Materialwissenschaft, Physik und Chemie entwickelt. Ihre einzigartigen Eigenschaften versprechen eine Vielzahl potentieller Anwendungen in der Nanoelektronik, für Quantencomputer und in der Oberflächenwissenschaft. Beflügelt durch das wachsende Interesse an ihrem Verhalten und der Tatsache, dass sie die idealen Proben für die Transmissions-Elektronen-Mikroskopie (TEM) darstellen – ihre Geometrie erlaubt es, jedes einzelne Atom zu identifizieren – sind die Forschungen an 2D-Materialien rapide vorangeschritten. Ihre Morphologie – 2D-Materialien bestehen nur aus “Oberfläche” – bedingt zugleich ihre Sensitivität bezüglich Strahlschäden. Hochenergetische Elektronen lösen sehr leicht Atome aus dem 2D-Material und induzieren Defekte. Obwohl dies im Allgemeinen unerwünscht ist – Ziel ist eine nicht-destruktive Bildgebung – erlaubt es doch präzise Einblicke in die Schadensentstehung im TEM. Überdies können 2D-Materialien mit Hilfe des Elektronenstrahls mit atomarer Auflösung strukturiert werden. Alternativ kann die Strukturierung des 2D-Materials über fokussierte Ionenstrahlung erfolgen, weshalb es lohnenswert erscheint, auch deren Effekt auf 2D-Materialien zu untersuchen. In dieser Arbeit werden die Effekte von Elektronen- und Ionenstrahlung auf 2D-Materialien aus theoretischer Sicht exemplarisch an 2D-MoS2 untersucht. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf dem kombinierten Effekt von elektronischer Anregung und dem direkten Impulsübertrag durch hochenergetische Elektronen (Kollisionsschaden) in 2D-MoS2 , der durch die Anwendung von Ab-Initio-Simulationstechniken wie der Ehrenfest-Molekulardynamik, basierend auf zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie (DFT), studiert wird. Dabei liegt die Betonung auf der Kombination beider Effekte, da weder Ionisierungs- noch Kollisionsschäden allein die experimentell beobachtete Defekterzeugung unterhalb der Displacement Threshold – der notwendigen Mindestenergie, um ein Atom aus dem reinen Material herauszulösen – erklären. Ein möglicher Mechanismus der Defekterzeugung, basierend auf der Lokalisierung der elektronischen Anregung an der entstehenden Vakanzstelle, wird vorgeschlagen. Die lokalisierte Anregung führt dabei schließlich zu einem signifikanten Absinken der Displacement Threshold. Die Kombination von elektronischer Anregung und Kollisionsschaden trägt neben strahlinduzierten chemischen Reaktionen zur Erklärung der beobachteten Schäden unterhalb der Displacement Threshold in Niederspannungs-TEM-Experimenten bei. Neben nicht-destruktiver Bildgebung können Elektronenstrahlen auch dafür benutzt werden, 2D-Materialien gezielt zu modifizieren. In diesem Sinne wird der elektronenstrahl-induzierte Phasenübergang in 2D-MoS2 , bei dem sich das Material von einem halbleitenden in einen metallischen Zustand transformiert, betrachtet. Die Phasenenergetik und ein möglicher Transformationsmechanismus werden unter Zuhilfenahme von DFT-basierten Ab-Initio-Simulationen untersucht. Das detaillierte Verständnis der Interaktion des Elektronenstrahls mit dem 2D-Material verspricht dabei die Strukturierungsauflösung zu verbessern und ermöglicht Schaltkreisdesign auf der Nanoskala. Fokussierte Ionenstrahlen, wie sie in Ionenstrahlinstrumenten – wie dem Helium-Ionen-Mikroskop (HIM) zum Einsatz kommen – stellen ein weiteres häufig verwendetes Werkzeug zur Modifikation sowie zur Bildgebung von 2D-Materialien dar. Ionenstrahlexperimente – üblicherweise mit dem auf einem Substrat platzierten 2D-Material durchgeführt – werden hingegen oft mit Simulationen für freistehende 2D-Materialien rationalisiert, wobei jegliche Einwirkung des Substrats vernachlässigt wird. Die Kombination von Monte-Carlo-Simulationen mit Molekulardynamik-Simulationen (auf der Basis analytischer Potentiale) in dieser Arbeit verdeutlicht, dass das Substrat eine wichtige Rolle in der Defekterzeugung spielt und nicht vernachlässigt werden kann. Besonders für leichte Ionen, wie He und Ne, wie sie typischerweise im HIM zum Einsatz kommen, sollte der Effekt des Substrats berücksichtigt werden. Dieses führt für typische Ionenenergien im HIM – im Vergleich zum freistehenden 2D-Material – zu einer ansteigenden Anzahl an Defekten und einer breiteren räumlichen Defektverteilung, welche die Strukturierungsauflösung begrenzt.

Les solutions solides (1-x)Na0,5Bi0,5TiO3 (NBT) – xCaTiO3 (CT) ont été étudiées par diffraction des rayons X, spectroscopie Raman, microscopie électronique à balayage, spectroscopie d’impédance et DSC. Ce sont des matériaux présentant la structure cristalline pérovskite. L’étude révèle la complexité mais aussi la richesse des phénomènes physiques dans cette famille de composés : les séquences des transitions de phases, l’influence du dopant Ca2+ sur les propriétés physico-chimiques du matériau, la relation étroite entre propriétés diélectriques et caractéristiques structurales. Des solutions solides (1-x)NBT – xCT, avec 0 ≤ x ≤ 1,00, ont été synthétisées par voie solide classique puis frittées selon une procédure spécifique dans un milieu confiné pour éviter toute perte de sodium et de bismuth. Les caractéristiques cristallines des solides obtenus imposent clairement de distinguer trois domaines suivant les valeurs de x. En effet, pour les valeurs croissantes de x et à la température ambiante, on observe un premier domaine (Région I, pour x ≤ 0,07) dans lequel le solide obtenu est une solution solide de structure cristalline, de groupe d’espace R3c, identique à celle de NBT pur. Pour les valeurs les plus élevées de x (Région II, pour x ≥ 0,15), le solide obtenu est une solution solide de structure cristalline, de groupe d’espace Pnma, identique à celle de CT pur. Enfin, entre ces deux domaines (Région III, 0,09 ≤ x ≤ 0,13), les solides obtenus sont biphasés, R3c + Pnma, en se limitant aux appellations des groupes d’espacé des phases formées. Dans la région I, lors du chauffage, la séquence des transitions de phases R3c → P4bm → Pm3m est mise en évidence; les températures des transitions se déplacent vers les plus basses températures quand la concentration en Ca2+ augmente. Les solides sont ferroélectriques à l’ambiante puis développent un caractère relaxeur, par coexistence de deux phases, avec l’augmentation de la température. Dans la région II, les solides révèlent un comportement relaxeur dès l’ambiante. Une transition de phase diffuse au sein de la phase orthorhombique Pnma est toutefois mise en évidence ; le solide passe d’un état relaxeur à un état paraélectrique tout en conservant, a priori, la même structure cristalline. Le phénomène de relaxation dans ces composés est expliqué par la formation de micros ou nanorégions polaires. La région III, quant à elle, est caractérisée par l’apparition d’une hystérésis thermique mise en évidence pour la première fois ; elle est expliquée par la relation entre la microstructure cristalline et les propriétés diélectriques. Enfin, l’ensemble de nos résultats a été regroupé dans un diagramme de phase original en composition et en température. / The solid solutions (1-x)Na0,5Bi0,5TiO3 (NBT) – xCaTiO3 (CT) were studied by X-ray diffraction, Raman spectroscopy, scanning electron microscopy, impedance spectroscopy and DSC. These materials have a perovskite crystalline structure. This study reveals not only the complexity but also the richness of physical phenomena in these compounds: phases transitions sequences, the Ca2+ effect on the physical-chemistry properties and the relation between dielectric properties and crystalline structure. Thereby, (1-x)NBT – xCT solid solutions (0 ≤ x ≤ 1.00) were synthesized by chemical solid route, then they were sintered by a particular procedure in order to avoid sodium and bismuth volatilization. The solid crystalline characteristics obtained prove clearly the necessity to distinguish three fields as a function of x values. First of all, for increasing x at room temperature, there is a first region so called region I (x ≤ 0.07), wherein the crystalline structure of solid solutions obtained has a space group R3c identical to that of pure NBT. For the highest values of x, (Region II, x ≥ 0.15), the solid obtained has a space group Pnma, identical to that of pure CT. Finally, between these two regions, (0.09 ≤ x ≤ 0.13), the solid solutions obtained are biphasic, R3c + Pnma, limited to appellations of the space groups formed phases. In region I, upon heating, phase transition sequence R3c → R3c + Pnma → Pnma was determined; the corresponding transition temperatures move to low values with increasing Ca2+ concentration. These solids are ferroelectric at room temperature and then develop a relaxor character, by coexistence of two phases, with increasing temperature. In region II, these solids reveal a relaxor behavior at room temperature. However, a diffuse phase transition within the orthorhombic phase Pnma has been identified; the solid changes from relaxor to paraelectric while maintaining the same crystal structure. This phenomenon was explained by the formation of micro or nano-polar regions. Region III, demonstrated for the first time, is characterized by thermal hysteresis, and explained by the relation between crystalline microstructure and dielectric properties. Finally, all our results were assembled in an original phase diagram as a function of concentration of Ca2+ dopant and temperature.

Laves-Phasen sind intermetallische Verbindungen der Zusammensetzung AB2, die in den Strukturtypen C14 (MgZn2), C15 (MgCu2), C36 (MgNi2) oder deren Abkömmlingen kristallisieren. Diese sind Polytypen mit einem gemeinsamen grundlegenden Strukturmuster. Insgesamt sind über 1400 binäre und ternäre Laves-Phasen bekannt. Sie stellen damit die größte Gruppe der bislang bekannten intermetallischen Verbindungen dar. Laves-Phasen wurden intensiv untersucht um grundlegende Aspekte der Phasenstabilität zu verstehen. Geometrische und elektronische Faktoren haben sich in ihrer Vorhersagekraft bezüglich des Auftretens und der Stabilität einer Laves-Phase aber nur in wenigen Fällen als hilfreich erwiesen. Das Auftreten von Homogenitätsbereichen und damit einhergehender struktureller Defekte ist in den meisten Fällen immer noch unklar und spiegelt grundsätzliche Probleme in der Chemie intermetallischer Verbindungen wider: Das unvollständige Bild der chemischen Bindung, die Tendenz zur Bildung ausgedehnter Homogenitätsbereiche sowie der Einfluss von Minoritätskomponenten auf Struktur und Phasenstabilität ist bei intermetallischen Verbindungen größer als bei vielen anderen Verbindungsklassen. Daher sind die Informationen über Struktur, Stabiblität und physikalische Eigenschaften intermetallischer Verbindungen im Allgemeinen unvollständig und mitunter unzuverlässig oder widersprüchlich. Um diese Probleme anzugehen wurden in dieser Arbeit Laves-Phasen in den Systemen Nb--TM (TM = Cr, Mn, Fe, Co) und Nb--Cr--TM (TM = Co, Ni) als Modellsysteme ausgewählt. Das Ziel der Untersuchung ist, das Wechselspiel zwischen chemischer Bindung, Struktur und Phasenstabilität für die Laves-Phasen auf der Grundlage genauer experimenteller Daten sowie quantenmechanischer Rechnungen zu beleuchten. Die Untersuchungen des binären Systems Nb--Co nehmen hier eine Schlüsselposition ein. Eine Neubestimmung des Phasendiagramms des Systems Nb--Co im Bereich der Laves-Phasen bestätigt die Existenz von Phasen mit C14-, C15- und C36-Struktur. Dabei wurden schmale Zweiphasenfelder C15 + C36 und C15 + C14 sowie ein schmaler, aber signifikanter Homogenitätsbereich der C36-Phase experimentell nachgewiesen. Die Kristallstrukturen von C36-Nb(1-x)Co(2+x) (x = 0,265), C15-Nb(1-x)Co(2+x) (x = 0,12), C15-NbCo2 und C14-Nb(1+x)Co(2-x) (x = 0,07) wurden mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse verfeinert. Im Falle von C36-Nb(1-x)Co(2+x) (x = 0,265) und C15-Nb(1-x)Co(2+x) (x = 0,12) wird bestätigt, dass der Homogenitätsbereich durch Substitution von Nb durch Co erzeugt wird. Im Fall von C14-Nb(1+x)Co(2-x) werden Abweichungen von der Zusammensetzung NbCo2 durch Substitution von Co durch überschüssiges Nb erzeugt, wobei nur eine der beiden Co-Lagen gemischt besetzt wird. Quantenmechanische Rechnungen zeigen, dass dieses Besetzungsmuster energetisch bevorzugt ist. Weder mittels Röntgenbeugung noch mittels hochauflösender Elektronenmikroskopie und Elektronenbeugeng wurden Ordnungsvarianten oder Stapelvarianten der Laves-Phasen beobachtet. In der Kristallstruktur von C36-Nb(1-x)Co(2+x) (x = 0,265) ist mehr als ein Viertel des Nb durch überschüssiges Co ersetzt. Von zwei kristallographischen Nb-Lagen wird eine bevorzugt von Co besetzt, so dass sich der Co-Anteil der beiden Lagen etwa wie 2:1 verhält. Co-Antistrukturatome sind relativ zu der Nb-Position verschoben. Triebkraft dieser Verschiebungen ist die Bildung von Nb--Co-Kontakten innerhalb der A-Teilstruktur. Gemischte Besetzung der Nb-Lagen, die Verteilung der Co-Antistrukturatome und mit der Substitution einhergehende Verzerrungen führen zu einer komplizierten Realstruktur. Zur Beschreibung der elektronischen Struktur von C36-Nb(1-x)Co(2+x) (x = 0,265) werden daher verschiedene Modelle verwendet, die Tendenzen sowohl zur beobachteten Mischbesetzung als auch zur Verzerrung der Kristallstruktur aufzeigen. Die elektronische Struktur und chemische Bindung von C14-, C15- und C36-NbCo2 wurde vergleichend untersucht. Berechnungen der Gesamtenergie zeigen sehr geringe Energiedifferenzen zwischen den drei Strukturen, die mit einer sehr ähnlichen Bindungssituation der Polytypen im Einklang ist. In den Systemen Nb--Cr und Nb--Fe wurde der Verlauf der Gitterparameter innerhalb des gesamten Homogenitätsbereichs der Laves-Phase bei ausgewählten Temperaturen untersucht. Die Kristallstrukturen von C15-NbCr2 und C14-NbFe2 wurden erstmals verfeinert. Vorläufige Untersuchungen bestätigen die Existenz von zwei Hochtemperaturmodifikationen (C14 und C36) von NbCr2. Im System Nb--Mn wurde die Mn-reiche Seite des Homogenitätsbereichs bei 800 °C und 1100 °C an aus zweiphasigen (Mn(Nb) + C14) Präparaten isolierten Einkristallen untersucht. Bei 800 °C wird ein Kristall der Zusammensetzung NbMn2 erhalten, während bei 1100 °C ausgeprägte Löslichkeit von Mn in der C14-Phase beobachtet wird. Die Summenformel kann als Nb(1-x)Mn(2+x) (x = 0,13) geschrieben werden. Die Substitution von Nb durch Mn führt zu Verschiebungen der Antistrukturatome bezüglich der Nb-Lagen und damit zur Bildung kurzer Nb--Mn-Abstände. In den ternären Systemen Nb--Cr--Co und Nb--Cr--Ni wurden die Kristallstrukturen der C14-Phasen C14-Nb(Cr(1-x)Co(x))2 und C14-Nb(Cr(1-x)Ni(x))2 am Einkristall untersucht. Neben den auch für die binären C14-Phasen beobachteten Verzerrungen zeigen die Kristallstrukturen eine teilweise geordnete Verteilung von Cr und Co bzw. Cr und Ni auf die beiden kristallographischen Lagen der B-Teilstruktur. Die bevorzugte Besetzung wurde auf der Grundlage von Extended-Hückel-Rechnungen untersucht. Zwar können diese Rechnungen kein quantitatives Bild liefern, jedoch werden Tendenzen im System Nb--Cr--Co richtig wiedergegeben. Im System Nb--Cr--Ni liefern die Rechnungen jedoch dem Experiment widersprechende Ergebnisse. Die Vorhersagekraft der Methode ist also begrenzt. Vergleichende Untersuchungen der Reihe NbTM2, TM = Cr, Mn, Fe, Co mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie und Bandstrukturrechnungen zeigen, dass die chemische Bindung der untersuchten Verbindungen im wesentlichen ähnlich ist, aber dass durchaus Entwicklungen innerhalb der Reihe festgestellt werden können. Diese Entwicklung wird besonders in der Verzerrung der C14-Phasen und hier speziell der B-Teilstruktur deutlich, die in den experimentell zugänglichen C14-Phasen in NbMn2 deutlicher ausgeprägt ist als in NbFe2. Analysen der chemischen Bindung mit Hilfe der COHP-Methoden zeigen eine ähnliche Tendenz zur Verzerrung, die vereinfacht auch als Funktion der Valenzelektronenkonzentration aufgefasst werden kann. Berechnungen der Gesamtenergie unterstützen diese Interpretation. Im Gesamtbild der elektronischen Struktur ist eine leichte Zunahme des ionischen Bindungsanteils von TM = Cr zu TM = Co zu erkennen. Die Natur der Laves-Phasen in Systemen der Übergangsmetalle ist ein sehr vielschichtiges Problem, das weiterhin intensive und interdisziplinäre Forschung erfordert. Insbesondere mit der Charakterisierung nichtstöchiometrischer Laves-Phasen wurden aber bereits wichtige Beiträge zum Verständnis der Bildung der Homogenitätsbereiche erarbeitet.