In-situ TEM Probing of Nanomaterials

Nanomaterials because of their small size, may have special properties unlikely to be seen in ordinary types of materials. Nanomaterials like nanotubes,nanowires and nanoparticles are best studied at the nanoscale, vital but also problematic. In this thesis we use a transmission electron microscope (TEM)combined with a scanning tunneling microscope probe. This system allows TEM images to be captured and recorded into a movie together with recordedelectrical data for real time analysis. Using this method we found that the electrical conductivity of molybdenumbased nanowires Mo6S3I6 can be improved by current induced transformation. This might be a general method of improving nanowires which is of high valueif the wires are to be used in electrical circuits or field emission devices. The bending modulus for these nanowires were also determined, by an electromechanical resonance method, to 4.9 GPa. The sintering phase of silver nanoparticles, used in electrical conductive ink for printing electrical circuits, were studied by the in-situ TEM probing method. We observed that percolation path ways are formed and that the dispersive agent of the particles can be pyrolysed into a net of carbon with characteristics similar to graphite. We also developed a method for decorating nanowires and nanotubes with gold nanoparticles. Nanowire particle composites are often used in assembling more complex devices (electronic circuits) or for linking to organic molecules (biosensor applications) and existing particle decoration methods are either difficult or with low yield. By in situ TEM probing we found that carbon nanocages can be grown onto these gold nanoparticles. The size of the gold nanoparticles is controllable an thus the size of the nanocages. These nanocages may be used in medicine- or hydrogen storage-applications.Nanomaterial har givits stort intresse under det senaste årtiondet, detta på grund av deras unika egenskaper som gör att de i många hänseenden överträffar traditionella material. Egenskaperna beror till största del på storlek och därför är det nödvändigt att studera dessa material på nanonivå, något som är problematiskt. För sådana studier krävs ett instrument med tillräckligt hög upplösning på nanonivå samt ett system med en prob som möjligör selektion och karakterisering utav individuella byggstenar. I denna avhandling används ett transmissionselektronmikroskop (TEM) tillsammans med ett sveptunnelmikroskop (STM) där det senare används som prob. Systemet medger studier på nanonivå och karakterisering av enskilda byggstenar under realtids avbildning (in situ). Metoden medger en bättre överblick och hanterbarhet vid nanomanipulering än vad till exempel atomkraftmikroskopi medger. Piezodrivna probar kan även användas i svepelektronmikroskop men dessa medger inte samma upplösning som transmissionselektronmikroskopet. Nanotrådar av Mo6S3I6 är ett alternativt material till kolnanorör och överträffar dessa i form av löslighet i båda organiska såväl som polära lösningsmedel. De är enkla att syntetisera men deras elektriska konduktivitet är låg. Mo6S3I6 nanotrådar studerades med in situ TEM probing. Vi fann att genom att driva en tillräckligt hög elektrisk ström genom nanotråden så resulterade detta i en omvandling till en solid metallisk molybden nanotråd med en konduktivitet nära värdet för bulkmaterialet. Resultat är intressant då nanotrådar kan användas i t.ex. fältemission, men resultatet visar också på att det kan vara en generell metod för att förbättra nanotrådar överlag. På dessa nanotrådar har även en elektromekanisk resonans studie utförts där böjmodulen för materialet bestämdes till 4.9 GPa. Med in situ-TEM-probing metoden har även silvernanobläck studerats under en sintringsprocess. Studien visade att vid sintringen så bildas perkulativa vägar genom bläckets silvernanopartiklar samt att vid hög sinteringstemperatur förkolnades det lösningsmedel som silvernanopartiklarna är lösta i. Förkolningen av lösningsmedlet resulterade i ett kolnät med liknande egenskaper som för grafit. Förståelse utav sinteringsprocessen är nödvändig eftersom vid tryckning av elektriskt ledande banor på papper används sintring för att höja ledningsförmågan. Genom att växa nanopartiklar på nanotrådar förändras deras egenskaper och tillämpningar. Existerande metoder är endera komplicerade eller ger dåligt ut- byte. Ett enkelt recept för att växa guldnanopartiklar på kolnanorör och Mo6S3I6 nanotrådar har därför tagits fram. Dessa kolnanorör och nanotrådar har sedan studerats med in-situ-TEM-probing metoden som visade att utanpå dessa guldnanopartiklar kan burar av kol skapas. Eftersom partiklarnas storlek kan kontrolleras kan även kolnanoburarnas storlek kontrolleras. Burarna har användningsområden t.ex. inom medicin och vid lagring av vätgas.The thesis covers six scientific paper