Electron beam generation and structure of defects in carbon and boron nitride nanotubes

Génération par faiseau d'électrons et structure des défauts dans les nanotubes de carbone et de nitrure de bore

Alberto Zobelli (1)

1 LPS - Laboratoire de Physique des Solides

The nature and role of defects is of primary importance to understand the physical properties of C and BN single walled nanotubes. Transmission electron microscopy (TEM) is a well known powerful tool to study the structure of defects in materials. However, in the case of SWNTs, the electron irradiation of the TEM may knock out atoms. This effect may alter the native structure of the tube, and has also been proposed as a potential tool for nanoengineering of nanotubular structures.
Here we develop a theoretical description of the irradiation mechanism. First, the anisotropy of the emission energy threshold is obtained via density functional based calculations. Then, we numerically derive the total Mott cross section for different emission sites of carbon and boron nitride nanotubes with different chiralities. Using a dedicated STEM microscope with experimental conditions optimised on the basis of derived cross-sections, we are able to control the generation of defects in nanotubular systems. Either point or line defects can be obtained with a spatial resolution of a few nanometers.
The structure, energetics and electronics of point and line defects in BN systems have been investigated. Stability of mono- and di- vacancy defects in hexagonal boron nitride layers is investigated, and their activation energies and reaction paths for diffusion have been derived using the nudged elastic band method (NEB) combined with density functional based techniques. We demonstrate that the appearance of extended linear defects under electron irradiation is more favorable than a random distribution of point defects and this is due to the existence of preferential sites for atom emission in the presence of pre-existing defects, rather than thermal vacancy nucleation and migration.

La nature et le rôle de défauts est de première importance pour la compréhension des propriétés physiques des nanotubes monoparoi (SWNT) de carbone et nitrure de bore. Lamicroscopie électronique en transmission (TEM) est un outil très puissant pour l'étude des défauts dans les matériaux mais dans le cas de SWNT les atomes peuvent aussi être éjectés par l'irradiation électronique. Cet effet peut changer la structure initiale du tube mais peut être également vu comme un outil potentiel pour "usiner" des structures nanométriques.
Nous avons développé un outil théorique pour la description du mécanisme d'irradiation. Dans un premier temps, nous avons dérivé, par des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de densité, la carte des seuils d'énergie d'émission. Ensuite, nous avons dérivé numériquement la section efficace total de Mott pour différents sites d'émission dans des nanotubes de carbone et nitrure de bore. Utilisant un microscope STEM, nous avons été capables de contrôler la génération de défauts dans des systèmes nanotubulaires avec des conditions expérimentales optimisées sur la base de nos calculs de section efficace. Défauts ponctuels ou lignes de dislocation peuvent ainsi être obtenus avec une résolution spatiale de quelques nanomètres.
La structure, l'énergie et les propriétés électroniques des défauts ponctuels et des lignes de défauts ont été étudiées dans les systèmes de BN. L'énergie d'activation et les chemins réactionnels pour la diffusion de mono et de bi-lacunes dans du BN hexagonal ont été dérivés en utilisant le "nudged elastic band method" combiné avec les techniques basées sur la fonctionnelle de la densité. Nous avons aussi démontré que l'apparition de défauts étendus est plus favorable qu'une distribution aléatoire de défauts ponctuels et que cela est dû à l'existence de sites préférentiels pour l'émission d'atomes en présence de défauts préexistants plutôt qu'à des phénomènes de migration et nucléation thermique des lacunes.

Mots clés: defects; microscopy; nanotubes; irradiation; defauts; microscopie; ab initio; DFT; DFTB

Domaines: Physique [physics]; Matière Condensée [cond-mat]; Matériaux

Alberto Zobelli. Electron beam generation and structure of defects in carbon and boron nitride nanotubes. Physics [physics]. Université Paris Sud - Paris XI; Technische Universität Dresden, 2007. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00192710⟩