Analysis of the morphology and structure of oxide monocrystals by Transmission Electron Microscopy

Głównym celem pracy była analiza morfologii i struktury nanokryształów tlenku miedzi(I) oraz tlenku miedzi(II) z wykorzystanie technik Transmisyjnej Mikroskopii Elektronowej. Ze względu na mikronowy rozmiar (~1μm), w przypadku nanokryształów Cu2O przeprowadzono analizę morfologii z wykorzystaniem techniki HAADF STEM. Badano dwie serie nanokryształów zsyntetyzowane odpowiednio w 250C i 550C: Dla nanokryształów CuO przeanalizowano zarówno strukturę atomową jak i morfologię. Skład fazowy analizowanych próbek Cu2O potwierdzono wykonując pomiary XRD i techniką spektroskopii Ramana. Badania XRD uzupełniono o ilościowa analizę fazową (analiza Rietvelda). Skład chemiczny zbadano za pomocą analizy EDX, która potwierdziła obecność w próbce jedynie miedzi i tlenu. Szczegółowa analiza morfologii obejmowała obrazowanie mikroskopowe nanokryształów Cu2O oraz komputerową analizę otrzymanych obrazów. Dla obu serii nanokryształów morfologią startową była morfologia równowagowa, określona z pierwszych zasad z wykorzystaniem konstrukcji Wulffa. Tak otrzymany kształt został następnie dopasowany do wzoru krawędziowego otrzymanego z analizy gradientu zdjęć mikroskopowych. Przeprowadzona analiza wykazała, że zsyntetyzowane nanokryształy Cu2O mają zarówno morfologię zbliżoną do równowagowej (oktaedry) jak i nierównowagową (ścięte sześciany). Z analizy tlenku miedzi(II) wynika, że posiada on morfologię nanowłókien. Za pomocą obrazowania HR TEM i symulacji obrazów mikroskopowych zanalizowano strukturę atomową CuO oraz przypisano położenia kolumn atomowych do zmian kontrastu fazowego na obrazach HR TEM

Main objective of this work was to analyse the morphology and the atomic structure of the copper (I) oxide and copper (II) oxide nanocrystals by means of Transmission Electron Microscopy techniques. Due to the relatively large diameter (~1μm), analysis of the Cu2O nanocrystals was focused only on retrieval of their morphology. For this purpose HAADF STEM technique was used. The shape analysis was performed for two series of nanocrystalline samples, synthesized at 250C and 550C. In the case of CuO nanocrystals both atomic structure and morphology were analyzed. Phase composition of the Cu2O samples was confirmed by the XRD and Raman spectroscopy measurement. XDR analysis was supplemented with the quantitative phase analysis (Rietveld method). Chemical composition was examined by EDX method, which confirmed that in the samples only copper and oxygen are present. Detailed analysis of the morphology was based on HAADF STEM imaging of Cu2O nanocrystals and digital image processing of the resultant micrographs. For both series of nanocrystalline samples the equilibrium (thermodynamic) morphology was assumed as a starting shape. They were obtained from first principles calculations combined with the Wulff construction. The obtained shapes were matched to the edge patterns obtained from the gradient analysis of the obtained microscopic images. The analysis revealed that the synthesized Cu2O nanocrystals preserve either close-to-equilibrium (octahedral) or non-equilibrium (truncated cube) morphologies. The analysis of the copper (II) oxide showed that the CuO nanocrystals exhibit a nanofiber morphology. Using the HR TEM imaging and computer image simulation, the atomic structure of CuO was analysed in more detail. It allowed for assessment of the thickness of the nanofibers and localization of the positions of the atomic columns, by assigning the phase contrast in the HR TEM image to the atomic structure of CuO.