abstract: A new class of layered materials called the transition metal trichalcogenides (TMTCs) exhibit strong anisotropic properties due to their quasi-1D nature. These 2D materials are composed of chain-like structures which are weakly bound to form planar sheets with highly directional properties. The vibrational properties of three materials from the TMTC family, specifically TiS3, ZrS3, and HfS3, are relatively unknown and studies performed in this work elucidates the origin of their Raman characteristics. The crystals were synthesized through chemical vapor transport prior to mechanical exfoliation onto Si/SiO¬2 substrates. XRD, AFM, and Raman spectroscopy were used to determine the crystallinity, thickness, and chemical signature of the exfoliated crystals. Vibrational modes and anisotropic polarization are investigated through density functional theory calculations and angle-resolved Raman spectroscopy. Particular Raman modes are explored in order to correlate select peaks to the b-axis crystalline direction. Mode III vibrations for TiS3, ZrS3, and HfS3 are shared between each material and serves as a unique identifier of the crystalline orientation in MX3 materials. Similar angle-resolved Raman studies were conducted on the novel Nb0.5Ti0.5S3 alloy material grown through chemical vapor transport. Results show that the anisotropy direction is more difficult to determine due to the randomization of quasi-1D chains caused by defects that are common in 2D alloys. This work provides a fundamental understanding of the vibrational properties of various TMTC materials which is needed to realize applications in direction dependent polarization and linear dichroism. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Materials Science and Engineering 2017

In Topologischen Isolatoren (TI) werden metallische Zustände an der Oberfläche beobachtet, während die entsprechenden Volumenzustände eine Bandlücke aufweisen. Der Volumenbeitrag zur Leitfähigkeit von TI-Materialien macht eine Synthese von Nanokristallen bzw. eine Dotierung nötig. Der Fokus der Untersuchungen dieser Arbeit liegt dabei auf der Erzeugung von Nanokristallen der TI-Materialien Bi2Te3- und Bi2Te2Se sowie dotierter Bi2Se3-Nanokristallen. Die Synthese der Nanokristalle erfolgte durch den Gasphasentransport im geschlossenen System über den Mechanismus einer Zersetzungssublimation bzw. unter dem Einsatz eines Transportmittels. Für eine erfolgreiche Erzeugung der Nanokristalle sind im Vorfeld thermodynamische Modellierungen des Gasphasentransports sowie Versuche zum chemischen Transport für die quasibinären Systeme Bi2Se3-Bi2Te3, Bi2Se3-Sb2Se3 und Bi2Se3-FeSe sowie für das ternäre System Mn-Bi-Se durchgeführt worden. Durch Versuche zum chemischen Transport konnten die Aussagen der Modellierung bestätigt und im Weiteren der Dotandengehalt in den abgeschiedenen Kristallen sowie der Einlagerungsmechanismus durch Ergebnisse aus XRD- und ICP-OES-Untersuchungen beschrieben werden. Die Synthese bzw. Dotierung der Nanokristalle wurde hauptsächlich durch die Transportrate und den Dampfdruck des Dotanden bestimmt. In den Systemen Bi2Se3-Bi2Te3 und Bi2Se3-Sb2Se3 ist ein Gasphasentransport über eine Zersetzungssublimation durchführbar und resultierte in einer erfolgreichen Darstellung von Bi2Te3- und Bi2Te2Se-Nanokristallen sowie von dotierten (SbxBi1-x)2Se3-Nanokristallen. Entgegen dessen erfolgte der Gasphasentransport in den Systemen Bi2Se3-FeSe und Mn-Bi-Se unter Verwendung eines Transportmittels. Hierbei verringerten die gesteigerten Transportraten das Wachtum von Nanokristallen. Im Weiteren gelang es dotierte (Fe,Mn)xBi2-xSe3-Volumenkristalle sowie MnBi2Se4-Einkristalle darzustellen und mittels XRD, ICP-OES, magnetischer Messungen sowie elektrischem Transport zu charakterisieren.

abstract: Transition metal di- and tri-halides (TMH) have recently gathered research attention owing to their intrinsic magnetism all the way down to their two-dimensional limit. 2D magnets, despite being a crucial component for realizing van der Waals heterostructures and devices with various functionalities, were not experimentally proven until very recently in 2017. The findings opened up enormous possibilities for studying new quantum states of matter that can enable potential to design spintronic, magnetic memory, data storage, sensing, and topological devices. However, practical applications in modern technologies demand materials with various physical and chemical properties such as electronic, optical, structural, catalytic, magnetic etc., which cannot be found within single material systems. Considering that compositional modifications in 2D systems lead to significant changes in properties due to the high anisotropy inherent to their crystallographic structure, this work focuses on alloying of TMH compounds to explore the potentials for tuning their properties. In this thesis, the ternary cation alloys of Co(1-x)Ni(x)Cl(2) and Mo(1-x)Cr(x)Cl(3) were synthesized via chemical vapor transport at a various stoichiometry. Their compositional, structural, and magnetic properties were studied using Energy Dispersive Spectroscopy, Raman Spectroscopy, X-Ray Diffraction, and Vibrating Sample Magnetometry. It was found that completely miscible ternary alloys of Co(1-x)Ni(x)Cl(2) show an increasing Néel temperature with nickel concentration. The Mo(1-x)Cr(x)Cl(3) alloy shows potential magnetic phase changes induced by the incorporation of molybdenum species within the host CrCl3 lattice. Magnetic measurements give insight into potential antiferromagnetic to ferromagnetic transition with molybdenum incorporation, accompanied by a shift in the magnetic easy-axis from parallel to perpendicular. Phase separation was found in the Fe(1-x)Cr(x)Cl(3) ternary alloy indicating that crystallographic structure compatibility plays an essential role in determining the miscibility of two parent compounds. Alloying across two similar (TMH) compounds appears to yield predictable results in properties as in the case of Co(1-x)Ni(x)Cl(2), while more exotic transitions, as in the case of Mo(1-x)Cr(x)Cl(3), can emerge by alloying dissimilar compounds. When dissimilarity reaches a certain limit, as with Fe(1-x)Cr(x)Cl(3), phase separation becomes more favorable. Future studies focusing on magnetic and structural phase transitions will reveal more insight into the effect of alloying in these TMH systems. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Materials Science and Engineering 2020

In Topologischen Isolatoren (TI) werden metallische Zustände an der Oberfläche beobachtet, während die entsprechenden Volumenzustände eine Bandlücke aufweisen. Der Volumenbeitrag zur Leitfähigkeit von TI-Materialien macht eine Synthese von Nanokristallen bzw. eine Dotierung nötig. Der Fokus der Untersuchungen dieser Arbeit liegt dabei auf der Erzeugung von Nanokristallen der TI-Materialien Bi2Te3- und Bi2Te2Se sowie dotierter Bi2Se3-Nanokristallen. Die Synthese der Nanokristalle erfolgte durch den Gasphasentransport im geschlossenen System über den Mechanismus einer Zersetzungssublimation bzw. unter dem Einsatz eines Transportmittels. Für eine erfolgreiche Erzeugung der Nanokristalle sind im Vorfeld thermodynamische Modellierungen des Gasphasentransports sowie Versuche zum chemischen Transport für die quasibinären Systeme Bi2Se3-Bi2Te3, Bi2Se3-Sb2Se3 und Bi2Se3-FeSe sowie für das ternäre System Mn-Bi-Se durchgeführt worden. Durch Versuche zum chemischen Transport konnten die Aussagen der Modellierung bestätigt und im Weiteren der Dotandengehalt in den abgeschiedenen Kristallen sowie der Einlagerungsmechanismus durch Ergebnisse aus XRD- und ICP-OES-Untersuchungen beschrieben werden. Die Synthese bzw. Dotierung der Nanokristalle wurde hauptsächlich durch die Transportrate und den Dampfdruck des Dotanden bestimmt. In den Systemen Bi2Se3-Bi2Te3 und Bi2Se3-Sb2Se3 ist ein Gasphasentransport über eine Zersetzungssublimation durchführbar und resultierte in einer erfolgreichen Darstellung von Bi2Te3- und Bi2Te2Se-Nanokristallen sowie von dotierten (SbxBi1-x)2Se3-Nanokristallen. Entgegen dessen erfolgte der Gasphasentransport in den Systemen Bi2Se3-FeSe und Mn-Bi-Se unter Verwendung eines Transportmittels. Hierbei verringerten die gesteigerten Transportraten das Wachtum von Nanokristallen. Im Weiteren gelang es dotierte (Fe,Mn)xBi2-xSe3-Volumenkristalle sowie MnBi2Se4-Einkristalle darzustellen und mittels XRD, ICP-OES, magnetischer Messungen sowie elektrischem Transport zu charakterisieren.