The transmission electron microscope (TEM) is a powerful and flexible tool for the study of material structure. By incorporating a pump-probe approach in these instruments, the distinct advantages of the TEM can be exploited for the study of short lived (or rapidly time-evolving) processes in materials. This has recently been accomplished at Lawrence Livermore National Laboratory (USA), which houses a unique Dynamic Transmission Electron Microscope (DTEM). Here we demonstrate the application of this system to laser-induced crystallization dynamics in amorphous Germanium (a-Ge). During the complex process, the material undergoes several distinct modes of crystal growth that produce intricate microstructural patterns on nanosecond to ten microsecond timescales. Previous studies of this processhave lacked the spatio-temporal resolution to observe the evolution of the crystal microstructure in detail. This thesis shows that Dynamic Transmission Electron Microscopy (DTEM) is uniquely well suited to study such fast, complex crystallization dynamics due to the combined 10 nm spatial and 15 ns temporal resolutions. Using DTEM, we have obtained time-resolved snap shots of the initiation and roughening of dendrites on sub-microsecond time-scales followed by a rapid transition to an unanticipated ledge-like growth mechanism that produces a layered microstructure on the several microsecond timescale. This study provides new insights into the mechanisms governing this complex crystallization process and provides a dramatic demonstration of the power of DETM for studying time-dependent material processes far from equilibrium. / La Microscopie électronique en transmission (MET) a une capacité unique pour l'étude la structure des matériaux. En utilisant la méthode pompe-sonde, les avantages distinctifs de la MET peuvent être exploité pour l'étude des processus d'une durée très courte, tels que la cristallisation des semi-conducteurs. En particulier, la cristallisation de germanium amorphe , induite par l`échaufement par faiseaux laser ou électronique, est un sujet idéal pour l'étude MET. Au cours du processus complexe, on voit plusieurs modes distincts de croissance des cristaux qui produisent des microstructures complexes de microstructure sur l'ordre de quelques nanosecondes jusqu`un dizaine des microseconds. Les efforts précédents manquent la résolution spatio-temporelle pour observer l'évolution detaillée de la structure micro et nanocrystalline. Cette thèse démontre que la microscopie électronique en transmission dynamique (METD) est un outil idéal pour étudier ce processus, et possède un excellent potentiel pour l'étude de la dynamique de la cristallisation rapide et complexe. Des images de la cristallisation explosive du germanium amorphe ont été produites avec la résolution de quelques nanomètres et quelques nanosecondes. Cettes images révélent des détails sur l'initiation et la croissance inégale du front de cristallisation, ainsi une transition rapide à un mode de croissance oscillant. Grâce aces données nouvelles, combinées avec un modèle pour le profil de la température en fonction du temps, les conclusions perspicaces peuvent être faites au sujet de la nature des mécanismes de croissance qui controlent le processus de cristallisation complexe. Les résultats sont une démonstration spectaculaire de la capacité de l'DTEM pour étudier les processus des matériaux qui se passe pendant les intervalles courtes.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.114280 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Stern, Mark |
| Contributors | Bradley Siwick (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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