dissertations in forestry and natural sciences

116
Dissertations in Forestry and Natural Sciences ANDREY OREKHOV ELECTRON MICROSCOPY STUDY OF STRUCTURAL PECULIARITIES OF CARBON MATERIALS PUBLICATIONS OF THE UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND

Upload: hadien

Post on 01-Jan-2017

222 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

uef.fi

PUBLICATIONS OF THE UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND

Dissertations in Forestry and Natural Sciences

ISBN 978-952-61-2381-3ISSN 1798-5668

Dissertations in Forestry and Natural Sciences

DIS

SE

RT

AT

ION

S | A

ND

RE

Y O

RE

KH

OV

| EL

EC

TR

ON

MIC

RO

SC

OP

Y S

TU

DY

OF

ST

RU

CT

UR

AL

... | No

258

ANDREY OREKHOV

ELECTRON MICROSCOPY STUDY OF STRUCTURALPECULIARITIES OF CARBON MATERIALS

PUBLICATIONS OF THE UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND

This work presents results of high resolution transmission electron microscopy analysis

of structural peculiarities of some of nanocarbons materials forms. It was

performed the optimization of optical system of aberration corrected transmission electron

microscope to increase of the signal-to-noise ratio. The optimized TEM instruments

were used in this work for structural characterization of the nanodiamonds, two-

dimensional (2D) structures and needle-like diamonds, onion-like nanocarbons and other graphene-based structures, including

composites consisting of linear (1D) CuCl and Hg2Cl2 crystals encapsulated in single-walled carbon nanotubes. Obtained results allowed

appropriate development of production processes for these carbon nanostructures and

understanding of their physical properties.

ANDREY OREKHOV

Page 2: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

 

 

 

 

ANDREY OREKHOV

Electron Microscopy Study 

of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

 

Publications of the University of Eastern Finland 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences  

Number 258 

 

 

Academic Dissertation  

To be presented by permission of the Faculty of Science and Forestry for public 

examination in the Auditorium AU100 in Aurora Building at the University of 

 Eastern Finland, Joensuu, on December, 22, 2016, at 12 o’clock noon. 

 

Department of Physics and Mathematics 

 

 

Page 3: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Grano Oy 

Joensuu, 2016 

Editors: Prof. Pertti Pasanen,  

Prof. Pekka Toivanen, Prof. Jukka Tuomela, and Prof. Matti Vornanen 

 

 

Distribution: 

University of Eastern Finland Library / Sales of publications 

P.O.Box 107, FI‐80101 Joensuu, Finland 

tel. +358‐50‐3058396 

www.uef.fi/kirjasto 

 

 

ISBN: 978‐952‐61‐2381‐3 (Print) 

ISBN: 978‐952‐61‐2382‐0 (PDF) 

ISSNL: 1798‐5668 

ISSN: 1798‐5668 

ISSN: 1798‐5676 (PDF) 

 

Page 4: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Author’s address:  University of Eastern Finland 

Department of Physics and Mathematics 

P.O.Box 111 

80101 JOENSUU 

FINLAND 

email: [email protected]   

 

Supervisors:    Professor Alexander Obraztsov, Ph.D. 

University of Eastern Finland 

Department of Physics and Mathematics 

P.O.Box 111 

80101 JOENSUU 

FINLAND 

email: [email protected] 

 

Professor Yuri Svirko, Ph.D. 

University of Eastern Finland 

Department of Physics and Mathematics 

P.O.Box 111 

80101 JOENSUU 

FINLAND 

email: [email protected] 

 

Reviewers:    Professor Angela Vella, Ph.D 

Normandie Université, Université‐INSA de Rouen 

Groupe de Physique des Matériaux 

Avenue de lʹUniversité BP 12 

76801 SAINT ETIENNE DU ROUVRAY  

FRANCE 

email: angela.vella@univ‐rouen.fr 

 

Professor Rupert Schreiner, Ph.D 

OTH Regensburg Fakultät AM 

Seybothstr. 2 

93053 REGENSBURG 

GERMANY 

email: rupert.schreiner@oth‐regensburg.de  

 

Opponent:    Professor Albert Nasibulin, Ph.D. 

Skolkovo Institute of Science and Technology 

Skolkovo Innovation Center, Building 3 

143026 MOSCOW 

RUSSIA 

email: [email protected] 

 

 

Page 5: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

 

ABSTRACT

Carbon materials attract growing  interest of researchers due  to 

their  numerous  unique  properties  and  potential  applications. 

These  properties  are  originated  of  atomic  structure  of  carbon 

which  exhibits  great  variety  of  its  nanostructured  forms 

including  graphene,  carbon  nanotubes,  fullerenes, 

nanodiamonds  and  other. Revealing  structural  peculiarities  of 

these  nanostructured  forms  of  carbon  materials  is  very 

important for understanding of origin of their electronic, optical, 

thermo‐physical,  mechanical  and  other  properties.  In  this 

Thesis,  the high  resolution  transmission electron microscopy  is 

applied  to study structural peculiarities of some of nanocarbon 

materials. The Thesis  includes brief overview of some  forms of 

nanostructural  carbon materials, description of methodological 

problems  of  the  transmission  electron  microscopy  and 

possibilities  for  their  resolving.  These  descriptions  are 

illustrated  by  examples  of  the  researches  performed  by  the 

author and include his original publications. 

 

Universal Decimal Classification: 538.911, 548.1  

 

CAB Thesaurus: high resolution transmission electron microscopy, analytical 

methods,  atomic  structure; nanostructured materials, nanocarbon materials, 

carbon nanotubes, nanodiamonds;  

 

 

 

 

Page 6: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Preface  

I would  like  to  express my  thanks  to  all  those who  have 

helped me in this work: 

Above  all,  I  am  profoundly  indebted  to  my  supervisors 

Professor Alexander Obraztsov  for  his  guidance,  fundamental 

insight,  his  time  and  great  efforts  supporting  this work.  I  am 

also very grateful to my supervisor Professor Yuri Svirko and to 

the  Head  of  the  Department  of  Physics  and  Mathematics 

Professor Timo Jääskeläinen for their support and for providing 

me  this  opportunity  to  realize  my  research  project  in  the 

University of Eastern Finland. 

Author  of  this  Thesis  greatly  appreciates  support  from  the 

collaborators  and  colleagues  from  research  groups  headed  by 

Professor Alexander Obraztsov, Professor Elena Obraztsova and 

Professor Alexander Okotrub which made  great  and  valuable 

inputs providing ideas, materials and discussion.  

Special  thanks  are  to Professor Andrey Chuvilin  for  giving 

the  opportunity  to  carry  out  the  TEM  measurements  and 

support in image processing and for discussions of results.  

I am grateful to the Examiners of this work, Professor Angela 

Vella  and  Professor  Rupert  Schreiner,  and  to  the  Opponent, 

Professor  Albert Nasibulin,  for  their  review  and  encouraging 

comments.  

And finally, I would like express my gratitude to my family, 

parents and brothers for their patience, love and comprehensive 

support. 

 

This work made with partial  support  from Russian  Science 

Foundation (grant #14‐12‐00511). 

 

 

Joensuu December 22, 2016      Andrey Orekhov 

   

Page 7: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

LIST OF ORIGINAL PUBLICATIONS This  thesis  consists  of  the  review  of  author’s work  in  field  of 

electron microscopy  study  of  structural peculiarities  of  carbon 

materials  and  the  following  selection  of  the  author’s 

publications, referred to by the Roman numerals I‐VIII:  

I D’yakova  Yu.  A.,  Suvorova  E.  I.,  Orekhov  Andrei  S., 

Orekhov  Anton  S.,  Alekseev  A.  S.,  Gainutdinov  R.  V., 

Klechkovskaya V. V., Tereschenko E. Yu., Tkachenko N. V., 

Lemmetyinen H.,  Feigin  L. A., Kovalchuk M. V.  Study  of 

Structural Order  in  Porphyrin–Fullerene Dyad  ZnDHD6ee 

Monolayers  by  Electron  Diffraction  and  Atomic  Force 

Microscopy, Crystallography Reports 58(6): 927–933, 2013 DOI: 

10.1134/S1063774513060096 

II Rybkovskiy  D.  V.,  Arutyunyan  N.  R.,  Orekhov  A.  S., 

Gromchenko  I. A., Vorobiev  I. V., Osadchy A. V., Salaev E. 

Yu.,  Baykara  T. K., Allakhverdiev K. R., Obraztsova  E. D. 

Size‐induced effects in gallium selenide electronic structure: 

The influence of interlayer interactions, Physical Review B 84: 

085314, 2011 DOI: 10.1103/PhysRevB.84.085314  

III Orekhov A.S., Savilov S.V., Zakharov V.N., Yatsenko A.V., 

Aslanov  L.A.  The  isolated  flat  silicon  nanocrystals  (2D 

structures)  stabilized with perfluorophenyl  ligands,  Journal 

of Nanoparticle Research 16(1): 2190, 2014 DOI: 10.1007/s11051‐

013‐2190‐4 

IV Tonkikh A. A., Rybkovskiy D. V., Orekhov A. S., Chernov A. 

I., Khomich A. A., Ewels C.P., Kauppinen E. I., Rochal S. B., 

Chuvilin  A.L.,  Obraztsova  E.  D.  Optical  properties  and 

charge  transfer  effects  in  single‐walled  carbon  nanotubes 

filled with functionalized adamantane molecules, Carbon 109: 

87‐97, 2016 DOI: 10.1016/j.carbon.2016.07.053 

Page 8: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

V Kleshch Victor  I., Tonkikh Alexander A., Malykhin  Sergey 

A.,  Redekop  Eugene  V.,  Orekhov  Andrey.  S.,  Chuvilin 

Andrey  L., Obraztsova  Elena D., Obraztsov Alexander N. 

Field  emission  from  single‐walled  carbon  nanotubes  filled 

with  CuCl,  Applied  Physics  Letters  109:  143112,  2016  DOI: 

10.1063/1.4964273 

VI Bokova‐Sirosh  S.  N.,  Pershina  A.  V.,  Kuznetsov  V.  L., 

Ishchenko  A.  V.,  Moseenkov  S.  I.,  Orekhov  A.  S., 

Obraztsova  E.  D.  Raman  Spectra  for  Characterization  of 

Onion‐Like  Carbon,  Journal  of  Nanoelectronics  and 

Optoelectronics 8: 106–109, 2013 DOI: 10.1166/jno.2013.1444  

VII Alexeev Andrey M.,  Ismagilov Rinat R., Ashkinazi Evgeniy 

E.,  Orekhov  Andrey  S.,  Malykhin  Sergei  A.,  Obraztsov 

Alexander  N.  Diamond  platelets  produced  by  chemical 

vapor  deposition,  Diamond  &  Related  Materials  65:  13–16, 

2016 DOI: 10.1016/j.diamond.2015.12.019   

VIII Orekhov  Andrey  S.,  Tuyakova  Feruza  T.,  Obraztsova 

Ekaterina  A.,  Loginov  Artem  B.,  Chuvilin  Andrey  L., 

Obraztsov Alexander N. Structural defects  in  single  crystal 

diamond  needles, Nanotechnology 27(45): 455707, 2016 DOI: 

10.1088/0957‐4484/27/45/455707   

The  above  publications  have  been  included  at  the  end  of  this 

thesis with their copyright holders’ permission.  

 

Page 9: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

AUTHOR’S CONTRIBUTION Author  has  planned  and  performed  the  experimental  parts  of 

transmission  electron  microscopy  study,  analyzed  and 

interpreted  data  received,  contributed  in  discussions  and  in 

writing the experimental part of the papers I, II, IV, V, VI, VII, 

VIII. The main ideas were generated in fruitful discussions of all 

co‐authors  team. The papers  III  and VIII were written by  the 

author.    The  experimental  setup  discussed  in  these  papers, 

samples  preparation  was  performed  by  the  author. 

Interpretation  of  results  which  most  important  in  electron 

microscopy  experiments  were  done  by  author  on  basic  of 

proposed  atomic  models  materials  studied.  For  these  model 

series of HRTEM  images and electron diffraction patterns were 

calculated.  

 

 

Page 10: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Contents 

INTRODUCTION ............................................................................. 1 

1 Review of the structural features of carbon materials ............. 3 

1.1 Types of hybridization of atomic orbitals in carbon ................ 3 

1.2 Graphene and its derivatives ...................................................... 7 

1.3 Methods of synthesis .................................................................. 20 

1.4 Techniques for carbon materials structural characterization27 

Objectives of this work ..................................................................... 34 

2 GENERAL PRINCIPLES AND PRACTICAL ASPECTS OF 

TEM ANALYSIS .............................................................................. 35 

2.1 Theoretical aspects of electron microscopy ......................... 35 

2.2 Optimization of spherical aberration correction for nano‐

carbon materials (Experimental part) ............................................ 55 

Summary of the Chapter 2 .............................................................. 66 

3 ATOMIC ARRANGEMENT OF GUEST CRYSTAL IN THE 

INNER CHANNEL OF FUNCTIONALIZED SINGLE‐

WALLED CARBON NANOTUBES ............................................. 67 

3.1 Singe walled carbon nanotube functionalized by adamantane 

molecules ........................................................................................... 68 

3.2 Structure characterization of Hg2Cl2 crystals located in the 

inner channel of SWCNT ................................................................. 70 

3.3 Crystal structure of 1D CuCl@SWCNTs .................................. 73 

Summary of the Chapter 3 .............................................................. 77 

4 THE STRUCTURAL PECULIARITIES OF NANO‐ AND 

MICRO‐METER SIZE SCALE DIAMOND CRYSTALS ......... 79 

4.1 The transformation of Sp3 to Sp2 C‐C bond in nanodiamond 

under heat treatment ........................................................................ 80 

4.2 Diamond platelets produced by chemical vapor deposition 82 

Page 11: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

4.3 Structural peculiarities of single crystal diamond needles of 

nanometer thickness ......................................................................... 84 

Summary of the Chapter 4 .............................................................. 88 

5 CONCLUSIONS ........................................................................... 89 

REFERENCES ................................................................................... 91 

ORIGINAL PUBLICATIONS ..................................................... 105 

 

 

Page 12: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258            1 

Introduction  

Carbon  materials  always  attracted  great  attention  of 

research  community  because  of  their  importance  for  practical 

applications and  for  fundamental science. During  last decades, 

especial  interest  has  been  dedicated  to  production  and 

comprehensive  characterization  of  nano‐structured  forms  of 

carbon  materials  such  as  nanodiamonds,  fullerenes,  carbon 

nanotubes, graphene, numerous graphene‐like species and their 

composites.  These  relatively  “new”  types  of  carbon materials 

exhibit  numerous  unique  properties  promising  important  and 

breakthrough  achievements  in  fundamental  science  and 

technology.  Study  of  nanocarbon  materials  structural 

peculiarities  is  necessary  for  deeper  understanding  of  the 

mechanisms  determining  their  physical  properties  and  for 

optimization these properties for practical application purposes. 

In spite of intensive study in this area many problems remain to 

be  open  especially  for  specific  forms  of  the  nanostructured 

carbon materials. This work presents  results of high  resolution 

transmission  electron  microscopy  analysis  of  structural 

peculiarities of some of nanocarbons materials forms. 

  We  performed  optimization  of  optical  system  of 

aberration  corrected  transmission  electron microscope  (TEM). 

This adjustment allowed  to  increase of  the signal‐to‐noise ratio 

up  to  30 %  for  the  graphene  TEM  images with  sub‐angstrom 

spatial resolution at 80 kV accelerated voltage. 

  The optimized TEM instruments were used in this work 

for  structural  characterization  of  the  nanodiamonds,  two‐

dimensional  (2D)  structures  and  needle‐like  diamonds,  onion‐

like  nanocarbons  and  other  graphene‐based  structures, 

including composites consisting of linear (1D) CuCl and Hg2Cl2 

crystals  encapsulated  in  single‐walled  carbon  nanotubes. 

Obtained  results  allowed  appropriate  development  of 

Page 13: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

2         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

production  processes  for  these  carbon  nanostructures  and 

understanding of their physical properties. 

  In this Thesis after brief Introduction we are reviewing in 

Chapter 1 most common structural  features and methods used 

for  synthesis of  carbon nanomaterials. Thereafter  in Chapter  2 

we  are  considering  methodology  of  TEM  experiments  with 

special  emphasis  to  TEM  instrument  adjustments  which  are 

necessary  to achieve suitable reproducibility and  interpretation 

of  obtained  results.  Chapters  3  and  4  present  description  of 

obtained original experimental results and conclusions made on 

their  basis  which  are  presented  together  with  copies  of  the 

articles where they were published. 

Page 14: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258            3 

1 Review of the structural 

features of carbon 

materials 

Carbon  materials  have  a  wide  range  of  properties  which 

make them suitable for various applications. Depending on type 

of  interatomic  bonding  and  on  crystal  structure,  carbon 

materials  could  possess  very  different  mechanical,  thermo‐

physical, optical and electronic properties. Thus, diamond is the 

hardest material which is used for indenters, anvils and similar 

applications. On the other hand, graphite softness allows to use 

it in gaskets and in lubricants. Diamond is transparent dielectric 

material  with  the  highest  thermal  conductivity.  Conversely, 

graphite is opaque, has good electrical conductivity and may be 

used  (in  some  cases)  as  thermal  insulator  [1],  [2].  The 

information about crystal structure composition and presence of 

lattice  defects  is  especially  essential  for  carbon  materials  for 

development  of  their  production  methods  and  for  their 

applications.  

The  following  paragraphs  present  brief  overview  of  the 

structural  features  of  carbon  materials,  the  methods  of  their 

synthesis and  the most common  techniques used  for structural 

characterization. 

1.1 TYPES OF HYBRIDIZATION OF ATOMIC ORBITALS IN CARBON

The  most  common  model  describing  interatomic  bonding 

assumes,  so  called,  hybridization  of  atomic  orbitals  which 

allows  explanation  of  electronic  structure  formation  of 

Page 15: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

4         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

molecules.  In  particular,  it  explains  modification  of  atomic 

orbitals  during  formation  of  a  covalent  chemical  bond, 

alignment of the  lengths of chemical bonds and bond angles  in 

the molecule. Linus Pauling has proposed the scheme of valent 

atomic orbitals hybridization.  Spatial orientation of  the hybrid 

orbitals  is  defined  the  type  Each  type  of  hybridization.  These 

hybridized  orbitals  model  is  used  for  carbon  material 

characterization.  Four  valence  electrons  of  carbon  atom  in  its 

ground state are arranged in one ‘2s’ orbital and two ‘2p’ orbitals. 

With excitation of  the atom one of  two  ‘2s’ electrons moves  to 

the  free  ‘2p’  orbital.  The  process  of  hybridization  can  be 

represented as different combinations of one ‘s’ and one, two or 

three ‘p’ orbitals. Thus there is potential possibility to form two, 

three or four new orbitals. Each of these formed orbitals retains 

some  part  of  properties  of  the  ‘s’  orbital  and  some  part  of 

properties of the ‘p’‐orbitals. These new orbitals are called ‘sp1’, 

‘sp2’,  ‘sp3’  hybridized  orbitals,  correspondingly  [3],  [4],  [5]. 

Orientation  of  the  hybrid  orbitals  is  determined  by  Coulomb 

interaction between electrons and condition of minimization of 

free energy of the system: 

sp1‐hybridization  occurs when  one  s  and  one  p  orbitals  are 

mixed;  these  two  equivalent  sp‐atomic  orbitals  have  axial 

symmetry and are arranged linearly with an angle between the 

axis of 180 degrees and with opposite directions from the core of 

the  central  atom;  the  remaining  two  non‐hybrid  p‐orbitals  are 

perpendicular  to  the hybrid one and  to  each other;  these non‐

hybrid orbitals provide formation of π‐bonds (Fig. 1‐1a); 

sp2‐hybridization occurs when one of s‐ and two of p‐orbitals 

are  mixed;  the  obtained  hybrid  orbitals  are  arranged  in  one 

plane with  their axes directed  from  the atom  to  the vertices of 

the triangle at an angle of 120 degrees; the non‐hybrid p‐orbital 

is situated perpendicular to the plane and is may be involved in 

the formation of π‐bonds (Fig. 1‐1b); 

sp3‐hybridization  occurs  when  one  of  s  and  all  three  p 

orbitals are mixed  to  form  four equivalent  in  form and energy 

hybrid orbitals;  the axes of  the  sp3‐hybrid orbitals are directed 

from  the  atom  toward  the  corners  of  a  tetrahedron;  the  angle 

Page 16: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         5 

between  any  two  axes  is  approximately  109°28ʹ,  which 

corresponds to the lowest electron repulsion energy (Fig. 1‐1c). 

 

 Figure 1‐1. The scheme of hybridization of atomic orbitals corresponds to sp1‐ (a) sp2‐ 

(b) and  sp3‐ hybridization  (c). Hybridized orbitals are  shown by  red and non‐hybrid 

orbitals are shown by blue.  

 

Type  of  hybridization  determines  atomic  arrangements  in 

condensed  carbon  materials  which  may  be  represented  by 

different variants and combinations of amorphous carbon, one‐

dimensional  linear  atomic  structures  (carbyne),  planar  two‐

dimensional  structures  (graphene)  or  bulky  three‐dimensional 

structures (diamond): 

amorphous carbon consists of a mixture of  individual atoms 

and/or  atomic  clusters  with  different  hybridizations;  typical 

examples  of  amorphous  carbon  are wood  charcoal,  coke,  soot 

and similar objects which frequently contain small fragments of 

stacked  planar  structures  with  interplanar  distance  of  0,350‐

0,365  nm;  at  high  temperatures  amorphous  carbon  may  be 

transformed  into  crystalline  phase  of  graphite  with  different 

levels of ordering; consideration of the structural organization of 

amorphous  carbon  and  its ordering  is out of  the  scope of  this 

work; 

carbyne is carbon materials with sp1‐hybridization of atomic 

orbitals  [6],[7];  this  type of hybridization  leads  to  formation of 

the polymer‐like  chains;  there are  two possibilities  for  carbyne 

formation ‐ in β‐carbyne carbon atoms are arranged with double 

Page 17: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

6         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

atomic bonds  (=С=С=С=)  and  in  α‐carbyne with  alternating  of 

single and triple bonds (‐C≡C‐C≡C‐); the polymer chains have 

chemically  active  ends  with  localized  negative  charge;  the 

chains may be arranged by different manners to provide further 

structurization;  however  this  type  of  carbon  materials  is  not 

considered in this work also; 

graphene is a monolayer of carbon atoms bonded together by 

sp2  hybrid  orbitals;  orientation  of  the  atomic  orbitals  leads  to 

formation  hexagonal  (or  honey‐comb)  atomic  structure  of 

graphene; the non‐hybridized p orbital of each atom is oriented 

perpendicular  to  the atomic plane and participate  in  formation 

additional  interatomic π‐bonding; similar  to carbyne all atomic 

bonds  in graphene  are  saturated  except dangling bonds on  its 

periphery;  little  variation  of  the  angles  between  axes  of  the 

hybridized  orbitals  make  possible  formation  other  numerous 

types  of  carbon  materials  with  spherical,  cylindrical,  conical, 

wavy  shape of  the atomic  layer;  chemical  interaction, which  is 

possible  for  atoms  located  in  planar  part  of  the  atomic  layer, 

results in formation 2D corrugated structure of graphene; weak 

Wan der Waals interaction between the layers is responsible for 

coupling  of  graphenes  into  multilayer  graphite  or  into 

multishell  spherical  and  cylindrical  structures;  some  of  these 

graphenic structures will be analyzed in this work; 

diamond  structure  is  formed  by  carbon  atoms  with  sp3 

hybridized  atomic  orbitals;  tetrahedral  orientation  of  these 

orbitals  is  responsible  for  3D  atomic  arrangement  in diamond 

structure;  at  the  same  time  each  atomic  layer  in  diamond 

structure  is similar  to graphene sheet, which  is corrugated due 

to  bonding  with  other  carbon  atoms,  and,  thus,  ʹdiamondʹ 

structure may be  considered  as  stacked  corrugated graphenes; 

in  this  work  we  will  consider  some    examples  of  diamond 

structures. 

 

 

 

Page 18: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         7 

1.2 GRAPHENE AND ITS DERIVATIVES

Graphene  and  its  numerous  derivatives  attract  especially 

great  attention  after  pioneering  works  of  Andrey  Geim  and 

Konstantin Novoselov from Manchester University. In 2004 they 

extracted  a  single  sheet  of  graphene  using  a micromechanical 

cleavage technique [8]. Later in 2005, the same group measured 

the quantum Hall effect and experimentally proved  linearity of 

energy  spectrum  of  electrons  in  graphene  and  applicability  of 

Dirac equation for the charge  carriers in graphene [9]. However, 

graphene has been known  long before  these works.  In  form of 

graphene  oxide  it  was  first  discovered  in  1859  by  chemist 

Benjamin  Brodie.  Late  G.  Ruess  and  F.  Vogt  have  detected 

evidence  of  presence  of  carbon  crystals  of  atomically  small 

thickness by Transmission Electron Microscopy. Although, these 

crystals have been not pure graphene and  their  thickness have 

been of several nanometers. The  first graphene  layers on metal 

(Ru, Rb, Ni) substrates have been obtained in 1970s by Blakely et. 

al.[10], [11]. The history of graphene is started much before 2004 

also because  it has been considered  for a  long  time as a model 

for structural analysis of carbon allotropes including fullerenes, 

carbon  nanotubes  and  graphite.  In  these  studies  many 

properties of graphene such, as a thinnest, strongest and perfect 

2D  crystalline  structure with  very  high  electron mobility  and 

thus  it excellent conductivity of both heat and electricity, have 

been analyzed. And at present days graphene become an  ideal 

object  for both  fundamental  studies and  for variety of exciting 

applications. 

Let’s consider crystal structure of graphene which essentially 

determines  all  its  properties.  Crystal  lattice  of  graphene, 

schematically shown  in Fig. 1‐2a, consists of  regular hexagons. 

The unit cell of graphene could be represented as two sublattices 

of  red  (A)  and  blue  (B)  carbon  atoms.  Each  equivalent  atoms 

participates in formation of a triangular sublattice which may be 

described by translating vector  ,  = m  + n , where m and 

n – integers, and   and   are Bravais crystal vectors for a unit 

cell  (marked  as  yellow  rhombus).  The  vectors ,   and   

Page 19: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

8         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

specify  position  of  atom  B  around  site  of  atom  A.  Distance 

between the nearest carbon atoms in the hexagons, marked a, is 

0.142 nm. The unit cell parameter can be derived by ao=√3 , it is 

equal to 0.246 nm. 

Red  tetravalent  carbon atom A  is  covalently  linked  to  three 

neighboring  blue  carbon  atoms  B  arranged  in  a  plane,  so  the 

angle between  the bonds  is  120°. The  fourth  electron occupies 

2pz orbital, which  is oriented perpendicular  to  the plane of  the 

graphene.  These  electrons  are  responsible  for  the  unique 

electronic  properties  of  graphene  and  form  a  π‐zone  in  the 

electron  energy  spectrum.  Due  to weak  interaction  of  the  π‐

electrons  with  a  particular  atom  they  may  be  easily  moved 

along graphene plane providing  its high electrical and  thermal 

conductivity. 

 

 Figure 1‐2. Schematic representation of the hexagonal structure of graphene with unit 

cell marked by yellow rhombus (a). Atomic model of perfectly flat sheet of graphene (b) 

and the wavy roughness (c) at the molecular level found experimentally (adopted from 

[12] with permission num. 3997280548454).  

 

The atomic structure of an isolated single‐layer graphene has 

been  studied  by  transmission  electron microscopy  (TEM)  [12]. 

Obtained electron diffraction patterns evidenced about expected 

honeycomb  crystal  lattice. Detailed  analysis  of  the  diffraction 

spots  intensities  reveals  that  the  graphene  sheet  has  a  wavy 

roughness with  amplitude of  about one nanometer  (Fig.  1‐2c). 

Page 20: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         9 

This roughness may be due to instability of the two‐dimensional 

crystals  [13–15].  It  is  believed  that  only  through  this  wavy 

roughness  the  graphene  sheet  could  exists  in  a  free‐standing 

form and do not curl up spontaneously.  

Despite  of  detailed  analysis  in  previous  studies  many 

problems related  to  identification and explanation of structural 

peculiarities of graphenic materials require further research. The 

interest  to  this  research  is  stimulated  by  recent  technology 

developments which make possible reproducible production of 

nanostructured  materials  with  unique  properties  and  their 

practical usage. This  includes purely carbon materials  (such as 

graphene  and  graphite,  carbon  nanotubes  and  fullerenes, 

diamonds)  as  well  as  their  different  composites  (like 

heterostructures,  filled  single‐  and  multi‐walled  carbon 

nanotubes). 

1.2.1 Graphite 

The  most  typical  example  of  graphene‐based  materials  is 

graphite. The  structure  of graphite  consists  of  stacked parallel 

graphene  layers. Because  of  saturation  of  all valence bonds  of 

carbon atoms in graphene, the parallel atomic layers in graphite 

are  joined together only by weak Wan der Waals  interaction. It 

provides one of the most distinguishable properties of graphite 

which  consists  in  easily  detaching  material  from  a  piece  of 

graphite  when  it  is  moving  in  contact  with  a  surface.  The 

stacked atomic layers have some planar displacement from each 

other  and  probability  to  form  certain  type  3D  structure  is 

determined by free energy of the system. The most common (i.e. 

the  most  probable)  forms  of  graphite  have  hexagonal  and 

rhombohedral crystal lattice. The hexagonal lattice is formed by 

alternation  of A  and  B  graphene  layers  in  ‐A‐B‐A‐B‐  stacking 

(Fig. 1‐3). A and B atoms on consecutive layers are on top of one 

another (marked by yellow color) and A’ atoms in one plane are 

over the hexagon centers of the adjacent layers and similarly for 

the  B’  atoms  [16].  This  graphene  layer  arrangement  is  called 

Bernal  stacking.  In‐plane  the  nearest  neighbor  distance  ac‐c  of 

0.142  nm,  in‐plane  lattice  constant  ao  of  0.246  nm,  and  c‐axis 

Page 21: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

10         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

lattice constant co of 0.670 nm. This structure belongs to P 63/mmc 

space group and has four atoms per unit cell (see Fig. 1‐3b). 

In  the  rhombohedral  (β‐phase)  graphite  the  alternation 

follows  to  the  ‐A‐B‐C‐A‐B‐C‐  stacking order.  It has  ao of  0.246 

nm,  co of  1.005 nm  and belongs  to R‐3m  space group with  six 

atoms  per  unit  cell.  This  structure  of  β‐graphite  is metastable 

unlike to more stable α‐phase of graphite. In graphite of natural 

origination  about  30%  of  content  may  have  rhombohedral 

structure. Artificially  synthesized  graphite  contains  practically 

only hexagonal form.  

 

 Figure  1‐3.  Scheme  of  two  consecutive  graphene  layers  arrangement  in  hexagonal 

graphite structure. A and B atoms are on top of one another (depicts by yellow color) 

and A’ atoms in one plane are over the hexagon centers of the adjacent layers (a). The 

hexagonal unit cell selection is represented in (b).  

 

The  crystal  structure  of  hexagonal  graphite  belongs  to 

P63/mmc space group [17]. The symmetry elements of this space 

group are schematically represented  in Fig. 1‐4  [18]. This space 

group  includes  following  axes:    vertical  sixfold  screw  axis  62 

which is a composition of a rotation by an angle 60° followed by 

a  translation  along  this  axis  of  1/3  of  the  lattice  vector  c, 

inversion threefold axis, vertical twofold screw axis 21 which is a 

composition  of  a  rotation  by  an  angle  180°  followed  by  a 

translation  along  this  axis  of ½  of  lattice  vector  c,  horizontal 

twofold  axis  2  and  horizontal  twofold  screw  axis  21 with  the 

translation  along  the  horizontal  coordinate  and  diagonal 

directions. The group P63/mmc  also  contains  symmetry planes: 

horizontal mirror plane, vertical mirror planes which alternate 

Page 22: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         11 

with glide planes b (composition of the reflection and translation 

along half the lattice vector b) and vertical glide planes c which 

alternate with n glide planes (composition of the reflection and 

translation  along  half  a  face  diagonal).  The  interaction  of  the 

twofold  axes  and  planes  perpendicular  to  them  leads  to  the 

appearance  of  the  centers  of  symmetry. Carbon  atoms  occupy 

two  types  of  symmetrical  non‐equivalent  positions which  are 

characterized  by  Wyckoff  positions  2b  and  2c.  These  initial 

atoms  are multiplied  by  all  symmetry  elements  of  the  space 

group  in  a way  that  carbon  atoms  are  arranged  in  hexagonal 

layers  alternating  along  lattice  vector  c  in  a  checkerboard 

pattern.  

 

 Figure 1‐4. Graphical representation of symmetry elements of crystal structure with P 

63/mmc  space  group  (adopted  from  [18].  Reproduced  with  permission  of  the 

International Union of Crystallography). 

 

Table 1‐1. Crystal unit cell parameters for known graphite phases. 

 

Modification a, b, c, (nm)

α, β, γ Space Group

Cryst. Sys. ICSD ref.

α-phase (2H) 0.246 0.246 0.670

90.00 90.00 120.00

P63/mmc hexagonal 52230

β-phase (3R) 0.370 0.370 0.370

39.75 39.75 39.75

R3mR rhombohedral 53780

 

The  crystal  lattice  symmetry determines physical properties 

of graphite. Particularly  the properties of graphite have  strong 

Page 23: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

12         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

anisotropy which  is  determined  by  its  layered  structure  [19], 

[20].  Also  presence  of  symmetry  center  leads  to  absence  in 

graphite polar directions and, consequently, physical properties 

which may  be  assigned  to  the  polar  symmetry  characteristics. 

The  unit  cell  parameters,  space  group  and  references  on 

Inorganic Crystal  Structure Database  (ICSD)  for  hexagonal  α‐

phase (2H) and rhombohedral β‐phase (3R) graphite phases are 

presented in Table 1‐1. 

1.2.2 Single and Multi‐Walled Carbon Nanotubes 

The nanotubes are graphene layers rolled into a cylinder‐type 

structure  with  diameter  of  several  nanometers.  Rolling  of  a 

single graphene sheet leads to formation of single‐walled carbon 

nanotubes  (SWCNT), whereas multi‐walled  carbon  nanotubes 

(MWCNT)  consist  of  several  coaxial  single‐walled  nanotubes. 

Nanotube  diameter  corresponds  to  geometry  of  the  graphene 

honey‐comb  lattice  and  twisting  angle  of  the  rolled  graphene 

sheet. Twisting  type  is  specified by  the  chiral vector  [21],  [22], 

[23].  

The diameter and chirality of the nanotube can be expressed 

using by vector Ch  = n  + m  ≡  (n, m). This vector  connects 

two  crystallographically  equivalent  sites  in  the  2D  graphene. 

The   and   are  the  graphene  lattice  vectors,  n  and  m 

determine the diameter and the twisting angle of the nanotube. 

If m = 0, carbon nanotubes belong to the zigzag type if n = m, the 

nanotubes belong to armchair type. Otherwise, when n ≠ m they 

are  called as  chiral  tubes  (Fig 1‐5). Armchair and zig‐zag  type 

tubes  structure  have  a  high  symmetry.  These  terms  refer  to 

location of  the hexagons along  the  circumference. While  chiral 

type  of  tube means,  that  tube  can  exist  in  two mirror‐related 

forms. 

Diameter of carbon nanotubes can be calculated from n, m as 

follows: 

 

Where a  is  length of unit cell vector a1 or a2. Length of a is related  to  carbon‐carbon  bond  length:  a = |a1|=|a2|=acc√3.  For graphite  carbon‐carbon  bond  length  is  acc =  0.142  nm.  But  for 

Page 24: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         13 

nanotubes due  to  curvature of atomic  sheet  this value  slightly 

large as acc = 0.144 nm [24]. Nanotube  sizes  may  vary  in  a  wide  range.  The  minimal 

diameter of SWCNTs is 0.4 nm and maximal diameter does not 

exceed  2‐3  nm.  Length  of  nanotubes may  reach  up  to  several 

mm. Outer diameter of multiwalled nanotubes may be from 4 to 

30  nm  and  its  length may  be  reach  several  μm.  Inter‐walled 

distance  in  MWCNT  is  similar  to  inter‐planar  spacing  in 

graphite and equals to 0.335 nm. 

 

 Figure  1‐5.  Schematic  illustration  of  carbon  nanotube  (SWCNT  and  MWCNT) 

formation by  rolling up graphene  sheet with different  chiral vector: n=m – armchair 

tubes, m=0 zigzag tubes and n≠m chiral tubes.  

 

The values  of n  and m determine  the  chirality of nanotube 

and affects  to  the electronic, optical and mechanical properties. 

The differences of interatomic bonds angles in the planar atomic 

structure of graphene and in the nanotubes lead to modification 

of  electronic  properties.  These  differences  are  negligible  for 

direction  along  the  nanotube  axis.  So,  quasi‐one‐dimensional 

character  of  structural  and  electronic  properties  of  the 

nanotubes  is  observed.  Also  variation  of  twisting  angle  and 

diameter  of  the  nanotubes  produce  their  different  electronic 

properties.  In  particular,  the  twisting  determines  conductivity 

type and band gap of the nanotubes. Nanotubes with |n—m| = 

Page 25: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

14         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

3i (i is an integer) possess a metallic properties while for |n—m| 

= 3i ± 1  the nanotubes are semiconductors. Recent advances  in 

nanotube study are discussed, for example, in papers [25], [26].  

1.2.3 Fullerenes 

Defects  of  atom  packing  in  planar  graphene  structure may 

lead  to  distortion  of  an  ideal  honeycomb  atomic  arrangement 

and  formation of pentagon and heptagon‐like  configuration of 

carbon bonds  [27],  [28]. The specific sequence of pentagon and 

heptagon  arrangement  results  in  keeping  of  sheet  planar 

structure,  but  may  initiate  grain  boundaries  formation.  The 

individual  grains may  be  stitched  together  in  graphene  sheet 

through  the  pentagon‐heptagon  pairs.  In  other  case 

geometrically noncompensated defects may cause  formation of 

roughness on graphene sheet as well as  formation of spherical 

structures.  Typical  example  of  such  kind  of  structural 

modification is formation of closed structure of fullerene. 

Similar to carbon nanotubes, possible sizes and geometries of 

the fullerenes are completely determined by geometry of carbon 

net  in  graphene.  Stability  of  the  fullerene  molecules  is 

determined  by  a  number  of  distorted  interatomic  bonds  and 

thus decreases with increase of their atomic weight (i.e. increase 

of number of  carbon atoms or diameter of  the molecule). This 

tendency  determines  existence  of  optimal  diameter  of  the 

fullerene which  corresponds  to  the most  stable  and  the most 

probable  configuration.  This  diameter  equals  about  0.7  nm. 

Number  of  carbon  atoms  which  is  necessary  to  form  such 

fullerene  is 60 and  they  should be arranged  into 12 pentagons 

and 20 hexagons [29]. This is the most common type of fullerene 

–  C60  (see  Fig.  1‐6).  Other  fullerenes  may  be  produced  and 

obtained  as  pure  fraction  also  but  their  stability  and  yield  in 

synthesis  process  will  be  less  in  comparison  with  C60.  The 

smallest available  fullerene consists of 20 carbon atoms and  its 

diameter is about 0.3 nm. Larger fullerenes are also possible (the 

most  common  fullerenes  contain  up  to  100  carbon  atoms). 

Similar  to  multi‐walled  carbon  nanotubes  and  to  multilayer 

Page 26: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         15 

graphite  structure  there  are  fullerenes  consisting  of  few  co‐

centric shells called also as onion‐like molecules. 

The  deviations  of  interatomic  bonding  which  happens  in 

fullerenes  in  comparison with  that  in planar graphene,  induce 

formation of unique electronic and chemical properties in these 

spherical  structures,  which  are  attractive  for  numerous 

applications.  Similar  modifications  are  possible  also  with 

introduction  into hexagonal network  of undisturbed  graphene 

not only pentagons but other polygons (e.g. heptagons) also [30].  

 

 Figure 1‐6. Schematic presentation of defects in the ideal graphene package – pentagon 

(a) and heptagon  (b) atomic arrangements. C60 molecular structure consisting of 12 

pentagons surrounded by 20 hexagons (с).  

 

An example of packing defects in graphene sheet is shown in 

Fig. 1‐7. The series of high resolution TEM images represent the 

transformation of C‐C bonding  appeared under  electron beam 

irradiation.  The  pentagons  and  heptagons  formations  are 

occurred  in  the  honey  comb  structure.  The  defects  formation 

mechanism in graphene sheets is reviewed in detail in [12,31,32]. 

 

 Figure 1‐7. A series of high resolution transmission electron images of graphene sheet 

with packing defect. 

 

Page 27: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

16         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

1.2.4 Functionalized Graphene 

Alternatively,  the  distortions  in  interatomic  bonds  (and 

corresponding  properties modifications)  of  flat  graphene may 

be achieved via interactions of carbon atoms with other atoms or 

molecules.  This  modification  of  graphene  is  called  as  its 

functionalization  [33],  [34],  [35]. There are  two main categories 

of  functionalization:  chemical  and  nonchemical.  Chemical 

functionalization  is  realized  through  the  formation  of  new 

covalent bonds between carbon atoms and the guest functional 

groups;  nonchemical  functionalization  is  mainly  based  on  π 

interaction between unhybridized orbitals of carbon atoms and 

guest molecules i.e., mainly a physical interaction. For example, 

a  regularly  corrugated  structure of  the graphene  sheet may be 

formed, as a result of chemical reaction with suitable precursors 

when  three hybridized bonds of  carbon atom are  shifted  from 

graphene  plane.  This  type  of  structural  modification  opens 

attractive possibility for creation the heterostructures consisting 

of  the  stacked  functionalized  graphene  sheets. An  example  of 

graphene  structure modification due  to  its  functionalization  is 

shown  in  Fig.  1‐8.  The  image  shows  schematic  model  of 

hydrogenated graphene  (also called as graphane). Advances  in 

the graphene functionalization are well described in the review 

[36]. 

 

 Figure  1‐8.  Graphane  atomic  structure  as  an  example  of  graphene  structure 

modification due to its functionalization. 

 

Page 28: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         17 

1.2.5 Diamond 

Atomic arrangement in individual atomic layers of diamond 

is  similar  to  graphane  (i.e.  hydrogenated  graphene).  This  is 

because  of  sp3  hybridization  which  is  necessary  to  provide 

covalent  bonding with  participation  of  forth  valence  electron. 

Thus  3D  atomic  structure  of  diamond may  be  represented  as 

stacked corrugated graphane  layers where hydrogen atoms are 

replaced  by  carbons  from  adjacent  layer  (Fig.  1‐9).  This 

approach  naturally  explains,  for  example,  difference  in 

electronic  properties  of  diamond  and  graphite  by 

transformations  which  happened  due  to  deviation  of  the 

interatomic bonds  from planar graphene configuration. Crystal 

structure  of  diamond,  resulted  of  this,  is  described  by  a  face‐

centered cubic (or FCC) lattice.  

 

 Figure 1‐9. Schematic representation of cubic diamond crystal structure by  ‐A‐B‐C‐ 

stacked  corrugated  graphene  layers.  Alternatively  diamond  structure  may  be 

represented by combination of tetrahedrons. 

 

Page 29: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

18         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

There are four types of  the diamond phases: cubic phase 3C 

[37],  [38]  and  tree  hexagonal  modifications  4H,  6H,  8H 

(lonsdaleite)  [39],  [40].  Crystallographic  parameters  of  these 

phases  are  represented  in Table  1‐2. Cubic diamond  structure 

can be considered as corrugated graphene  layers arranged  in –

A‐B‐C‐ sequence normal to [111] direction. Otherwise, structure 

of  diamond  can  be  represented  as  a  combination  of  two 

interpenetrating FCC sub lattices which are displaced along the 

body diagonal of the cubic cell on 1/4th  length of the diagonal. 

Each  carbon  atom  is  joined  with  four  other  carbon  atoms 

forming  a  regular  tetrahedron with  the  distance  of  0.154  nm, 

angle between the carbon‐carbon bonds is 109.28o. 

Cubic diamond belongs to  3  space group. The symmetry 

elements  of  this  space  group  are  schematically  represented  in 

Fig. 1‐10 [18]. This space group include following axis:  fourfold 

screw  axis  with  1/4  shifting  along  c,  inversion  fourfold  axis 

perpendicular to a mirror plane, treefold rotation axis, threefold 

screw  axis  with  1/3  shifting  along  c,  twofold  rotation  axis, 

twofold screw axis with 1/2 shifting along c.  3  consists also 

of planes of symmetry: glide planes along and perpendicular to 

c axis, mirror planes along to c axis and diagonal glide planes. 

 

 Figure 1‐10. Graphical representation of symmetry elements of crystal structure with 

F  d  3  m  space  group  (adopted  from  [18].  Reproduced  with  permission  of  the 

International Union of Crystallography). 

Page 30: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         19 

 

The crystal lattice symmetry and strong covalent interatomic 

bonding  determine  physical  properties  of  diamond.  For 

example,  diamond  is  the  hardest  known  naturally  occurring 

material.  Diamond  crystals  predominantly  are  good  electrical 

insulators.  But  diamonds with  substitutional  boron  impurities 

reveal  semiconductor  properties.  Diamond  also  is  a  good 

conductor of heat because of strong covalent bonding and  low 

phonon scattering.  

At  the  same  time,  interatomic bonding deviations  from  flat 

graphene configuration leads to increase of specific free energy. 

Thus,  diamond  structure  possesses  metastable  characteristics. 

However, under normal conditions diamond will not decay into 

graphite due to large potential barrier for this transition. 

 

Table 1‐2. Crystal unit cell parameters for known diamond phases. 

 

Modification a, b, c (nm) α, β, γ Space

Group Cryst Sys ICSD ref.

Diamond 3C 0.356 0.356 0.356

90.00 90.00 90.00

F d 3 m cubic 44100

Diamond 4H 0.252 0.252 0.823

90.00 90.00 120.00

P63/mmc hexagonal 66466

Diamond 6H 0.252 0.252 1.235

90.00 90.00 120.00

P63/mmc hexagonal 66467

Diamond 8H 0.252 0.252 1.647

90.00 90.00 120.00

P63/mmc hexagonal 66468

1.2.6 Filled Carbon Nanotube 

Closed  structure of  fullerenes  and  carbon nanotubes  allows 

alternative possibilities  for variation of  their properties  (first of 

all  electronic)  via  filling  by different  components  [41],  [42].  In 

contrast  to  that  considered  above,  it may  be  that  there  are no 

new  covalent  bonding  between  carbon  atoms  and  filling 

precursors  [43]. However, modification of electronic properties 

and structural parameters might be quite  large. It  is possible to 

achieve the structural ordering of the filled compound inside the 

fullerenes  or  nanotubes.  During metallic  nanotubes  filling  by 

electron‐donor with Fermi  level higher  than  SWCNT  level  the 

Page 31: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

20         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

electron  density  of  the  nanocomposite will  increase. On  other 

hand,  the  nanocomposite  will  possess  the  semiconductor 

properties when nanotube is filled by electron acceptor [44], [45].  

The  nanotube  filling  provides  realization  of  attractive 

possibility  for  chemical  synthesis.  In  this  case  inner volume of 

one‐dimensional  carbon  tubes  is  considered  as  a  nanoreactor 

[46], [47]. With filling this reactor by chemical reagents one can 

obtain conditions for production, for example, new compounds 

with  untypical  crystal  structure  and  stoichiometry  due  to 

encapsulated  crystal‐nanotube  interaction.  It  was  shown  that 

structures of encapsulated crystal may differ  from bulk crystal 

structure  with  changing  the  crystal  symmetry,  bond  lengths, 

and  bond  angles. Geometrical  distortions  are  caused  by  limit 

inner  nanotube  space  and  adjustment  of  encapsulated  crystal 

structure to the internal diameter of SWNT channel.  

1.3 METHODS OF SYNTHESIS

Structural  and  physical  properties  of  nanocarbon materials 

depend  essentially  on  conditions  of  their  synthesis.  The most 

general  approach  to  carbon  materials  production  assumes 

condensation of carbon atoms (or clusters) from a vapor phase. 

Thus,  from  this  ’general’  point  of  view,  the  most  important 

synthesis process steps include:  

(1)  Formation of atomized (vaporized) carbon environment. 

(2)  Procuring sufficient activation energy to carbon atoms. 

(3)  Formation  of  appropriate  type  of  carbon materials  by 

applying controlled condensation conditions. 

Phase diagram  of  carbon  (see  Fig.  1‐11) predicts possibility 

for obtaining diamond  (sp3)  type of carbons by  transformation 

of  other  condensed  carbon  containing  materials  (usually 

graphitic  –  sp2)  at  certain  conditions.  Below we will  consider 

some  typical  growth  methods  which  seem  to  be  the  most 

representative in view of results discussed in this work. 

Page 32: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         21 

 Figure 1‐11. Phase diagram of carbon. The transformations between different phases 

are possible with appropriate conditions. 

1.3.1 High pressure, high temperature method 

Method using high pressure and high temperature (HPHT) is 

still widely used because of  its  relatively  low  cost. HPHT  is  a 

relevant  process  for  the  synthesis  of  sp3  carbon  structures  as 

well  as  other  ultra‐hard  materials  as  cubic  BN  with  sp3 

hybridization.  In  the HPHT method  for obtaining  the pressure 

and  temperature,  which  are  necessary  to  produce  synthetic 

diamond, may use three press designs: the belt press, the cubic 

press  and  the  split‐sphere  press  [48],  [49],  [50].  The  graphite 

particles are generally used as the precursor which placed at the 

bottom of  the press. The  internal part of press  is heated above 

1400 °C and melts the solvent metal. The molten metal dissolves 

high  purity  carbon  source.  The  dissolved  carbon  is  then 

transported  towards  to small diamond precursors and  forms a 

large  synthetic diamond. Adding metallic  solvents  leads  to  an 

important  lowering  of  pressure  and  temperature  required  for 

diamond  synthesis. Without addition of  those  catalytic metals, 

crystal  structure  of  graphite  remains  unchanged  after 

compression up to 15 GPa at room temperature and loses some 

of graphite  features at higher pressure. Possible  transformation 

into metastable hexagonal diamond  form  (lonsdaleite) appears 

to  depend  on  many  factors  as  temperature  or  degree  of 

disorganization of the initial sp2 carbon form. 

Page 33: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

22         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

1.3.2 Detonation of explosives 

Methods  of  explosive  synthesis  of  diamonds  are  similar  to 

HPHT  with  the  high  pressures  and  temperatures  achieved 

during  short‐term detonation  and  subsequent  rapid  cooling of 

carbon‐containing  explosive  material.  Immediately  with 

diamond other carbon phases are formed in this process usually 

because of wide spread of achievable pressure and temperature 

parameters [51]. 

Pure graphite may be  transformed  into diamond by a shock 

compression  [52],  [53],  [54].  By  this method  transformation  of 

rhombohedral graphite into diamond by shock wave pressure at 

30  GPa  has  been  obtained.  Exposure  time  has  been  a  few 

microseconds and temperature of 1300‐1800 K. Small diamonds 

(2‐5  nm)  have  been  produced.  In  another  method  diamond 

crystals have been produced from graphite powder enclosed in 

a metallic matrix undergoing by high pressures (9‐20 GPa) and 

temperatures  (2300‐3300  K)  during  microseconds.  Cubic 

diamond  phase  and  up  to  30‐50%  hexagonal  diamond  phase 

(lonsdaleite) have been formed by this techniques. 

The short duration pressure and  temperature  increase up  to 

values corresponding  to graphite‐diamond  transformation may 

be achieved also  in synthesis processes based on usage of high 

intensity pulse  laser  irradiation  initiating explosion of graphite 

dispersion in liquid xenon. 

1.3.3 Arc‐discharge 

There are numerous version of methods providing synthesis 

of  condensed  carbons  from  a  vapor  phase.  One  of  the most 

simple  (and  thus popular)  is  the  arch‐discharge methods  [55], 

[56].  In accord with  this method synthesis occurs  in a chamber 

with  two  electrodes, one of which  contain a powdered  carbon 

precursor.  The  pre‐evacuated  chamber  is  filled with  inert  gas 

(like  helium  or  argon)  at  low  pressure  (between  50  and  700 

mbar) (Fig. 1‐12). One of the electrode ‐ anode may be arranged 

axially and moveable relative to other ‐ cathode in longitudinal 

direction.  To  initiate  arc  discharge  the  electrodes  are  moved 

closer  (typical distance  is   about 1 mm  ). A constant current  is 

Page 34: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         23 

maintained  through  the electrodes 

to obtain a non‐fluctuating arc. The 

fluctuating  arc  results  in  unstable 

plasma  and  affects  on  quality  of 

the  synthesized  product.  The  arc 

discharge  current  generates 

plasma  of  very  high  temperature 

~4000–6000 K, which  sublimes  the 

carbon precursor, which are filling 

the  anode.  The  vaporized  carbon 

atoms  (clusters)  aggregate  in  the 

gas  phase  and  drift  towards  the 

cathode where  they  are  cooled  down  due  to  the  temperature 

gradient.  During  the  condensation  different  types  of  carbon 

clusters,  including  fullerenes and/or carbon nanotubes, may be 

obtained depending on process conditions. However nanotube 

production  requires usage  of  catalysts particles which may  be 

produced  immediately  in  the gas discharge plasma  [57][58]. A 

comprehensive review of arc synthesis technique is done in [59]. 

1.3.4 Laser Ablation 

There are many other variants 

of  techniques  providing 

vaporization  and  excitation  of 

carbon  atoms  via  different  types 

of  gas  discharge  or  by  thermal 

evaporation.  For  example,  in  the 

laser  ablation  method    intense 

laser pulses are used  to heat and 

ablate  a carbon target, which is placed in a tube‐furnace heated 

to 1200°C (Fig. 1‐13). During the process inert gas like helium or 

argon  is  flowed  through  the  chamber  to  carry  the  grown 

nanotubes to the copper collector. After  cooling of the chamber  

nanotubes  and    by‐products,  like  fullerenes  and  amorphous 

carbon, can be collected [60], [61], [62]. 

With pure carbon laser ablation methods leads to synthesis of 

multi‐walled  nanotubes while  addition  of  a  catalyst  like  iron, 

Figure  1‐12.  A  schematic 

illustration  of  arc‐discharge 

technique.

Figure  1‐13. A  scheme  of  laser 

ablation  synthesis  technique. 

Page 35: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

24         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

yttrium, sulphur, nickel and molybdenum leads to formation of  

single‐walled carbon nanotubes [63], [64]. 

1.3.5 Chemical vapor deposition (CVD) 

Essential  peculiarity  of  chemical  vapor  deposition  (CVD) 

methods (from point of view of this particular work) consists in 

its ability  to produce  thin  film materials on suitable substrates. 

In  this  method  the  film  growth  occurs  under  low  pressure 

(below  atmospheric  pressure).  The method  involves  feeding  a 

mixture  of  gases  (typically  methane  and  hydrogen)  into  a 

chamber  and  their  decomposition  onto  chemically  active 

radicals. Potentially,  for activation of  the gas mixture different 

methods can be used including microwave or direct current gas 

discharges,  optical  discharge  in  focused  laser  beam,  acetylene 

torch or gas decomposition on ʹhot filamentʹ, etc. These methods 

are mostly used for production of polycrystalline diamond films. 

These  diamond  (i.e. mainly  sp3  carbon)  films  usually  contain 

some  amount  of  graphitic  (i.e.  sp2  carbon)  and  amorphous 

carbon  material.  Depending  on  the  process  conditions  the 

percentage of different phases  (sp3,  sp2 and amorphous)  in  the 

films may be changed in a wide range [65].  

 Figure 1‐14. Scheme of the CVD system with gas mixture activation by direct current 

discharge. 

 

There  is  great  variety  of  technical  solutions  allowing 

realization of the CVD process. Let us consider, as an example, 

with  more  details,  CVD  system  which  has  been  used  for 

production materials  studied  in  this work.  Schematically  this 

system is presented in Fig. 1‐14. 

Page 36: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         25 

The reactor chamber of  the system  is made of stainless steel 

with  double walls with water  cooling  system.  Inner  diameter 

and height of the chamber is 90 cm. Two quartz windows in the 

reactor  chamber  are  used  for  controlling  of  the  deposition 

process  including  substrate  temperature  measurement  by 

optical pyrometer. The substrate is located on the sample holder 

which  is  electrically  connected with  ground.  Other  electrode, 

which  is electrically connected  to negative source of  the power 

supply, is located above the substrate on distance of about of 40 

to 50 mm. The substrate holder  (which plays role of anode,  i.e. 

positive  electrode  in  electric  circuit)  and  cathode  (i.e. negative 

electrode  in  the  circuit)  are  made  of  molybdenum  and  have 

shape of disks with diameter of 50 mm and thickness of 10 mm. 

The  disks  are  tightly  attached  to  the  holders  cooled  by  flow 

water. 

After  substrate  is  loaded  the  chamber  is  pumped  out  by 

rotary pump up  to vacuum  level of about 10‐3 Torr. After  that 

the  chamber  is  filled  by  a mixture  of  hydrogen  and methane 

with predetermined proportion depending on type of produced 

material. Typical pressure of the gas mixture during deposition 

is about 100 Torr. The direct  current  (DC) discharge  is  ignited 

between  the  electrodes  by  applying  voltage.  The  discharge 

plasma  contains  chemically  active  radicals  produced  from 

hydrogen and methane molecules. The system contains control 

elements  allowing  support of necessary discharge voltage  and 

current, total gas mixture pressure and composition during long 

time (up to hundreds hours) which  is necessary for production 

carbon films of different thickness [66].  

The CVD method is widely used for the diamond fabrication 

[67], [68], graphene synthesis [69] and production of nanotubes 

[70], [71]. 

1.3.6 Methods of carbon nanotubes filling 

There  are  two  approaches  to  production  of  filled  carbon 

nanotubes.  In  the  first  approach  the  encapsulation  of  the 

inorganic  elements  takes  place  during  nanotube  synthesis  (in‐

situ methods).  This method  can  be  used  to  encapsulate metal 

Page 37: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

26         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

carbides or pure elements  (Se, Ge, Sb, Cr, Mn, Co, Cu, Re, Au, 

Sm,  Gd,  Dy,  Yb)  into  nanotube  under  special  synthesis 

conditions  in  presence  of  catalyst.  The  disadvantage  of  this 

approach  is problem of  control  the  filling process due  to  large 

temperature gradient in the cathode area. Another disadvantage 

of  this method  of  synthesis  is  that  it does  not  allow  filling  of 

nanotubes with transition metals, as well as low efficiency of the 

synthesis:  the  yield  of  filled nanotubes  is  only  several percent 

[43], [72], [73], [74]. 

Second  approach  is  ex‐situ  methods,  when  already 

synthesized  carbon  nanotubes  are  undergo  the  filling.  Special 

treatment  of  the  nanotubes  is  necessary  to  open  their  ends 

(which are usually capped in as‐grown material). Depending on 

type of desired compound  to be  filled  into  the nanotubes  there 

are few techniques are used for the filling. 

Gas phase filling of CNT 

Filling of carbon nanotubes  from gas phase  is carried out  in 

vacuum at high  temperatures [75,76]. During nanotube heating 

the  low‐pressure  vapor  consisting  of  the  compounds,  which 

should be encapsulated, undergoes capillary condensation and 

thus  penetrates  into  the  nanotube. During  subsequent  cooling 

the compounds are crystalized. 

Liquid phase filling of CNT 

Filling of SWNTs  from  liquid phase  is performed using  so‐

called capillary method, which involves impregnation of opened 

nanotubes with solutions or suspensions of selected compounds 

[47,77].  Higher  concentration  provides  higher  yield  of  this 

method in comparison with usage gaseous environment. 

 

Encapsulation from melts 

This method  uses  liquid  environment  consisting  of melted 

components. The technique provides a 2‐3 times  larger yield of 

encapsulated  nanotubes  as  compared  to  filling  from 

suspensions  and  solutions.  The  encapsulation  procedure  is 

Page 38: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         27 

usually  performed  under  vacuum  conditions  at  temperatures 

10‐100°C  higher  than  the melting  point  of  the  guest material. 

During  subsequent  slow  cooling  encapsulated  material  is 

crystallized [43,78]. 

1.4 TECHNIQUES FOR CARBON MATERIALS STRUCTURAL CHARACTERIZATION

Structural and physical properties of carbon materials may be 

characterized by  common  analytical methods used  in material 

science. Specificity some of these methods are considered below 

briefly  in  view  of  their  usage  in  this  particular  work.  These 

methods  allow  obtaining  additional  information  for 

identification  of  morphological  features,  crystal  structure, 

chemical  composition,  lattice  defects,  grain  boundaries,  phase 

transitions, defects, and other parameters of  studied materials. 

This  information  can  be  obtained  by  applying  a  complex  of 

modern diagnostic methods including Raman spectroscopy (RS), 

X‐ray  diffraction  (XRD),  scanning  electron microscopy  (SEM), 

energy‐dispersive X‐ray spectroscopy (EDS), electron diffraction 

(ED),  transmission  electron  microscopy  (TEM),  scanning 

transmission  electron microscopy  (STEM) which  are  the most 

widely  applied  techniques  for  characterization  of  carbon 

materials.  

1.4.1 Raman spectroscopy 

Raman scattering  is one of  the most  informative and widely 

used  non‐destructive  methods  for  structural  and  chemical 

diagnosis  of  various  forms  of  carbon  allotropes.  Spatial 

localization  of  phonons  in  nanostructured  carbon  materials 

provides  additional  ability  of  RS  to  detect  size  dependent 

structural  changes  and  deformations  in  atomic  bonding.  Each 

band  in RS spectra  is directly related  to a specific  frequency of 

intramolecular vibrations. The vibration  frequencies  and,  thus, 

the  positions  of  the  Raman  bands  are  very  sensitive  to 

Page 39: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

28         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

interatomic  bonds  orientation  and  to  number  of  atoms  at  the 

bond ends.  

In  Raman  spectroscopy  the  sample  is  irradiated  with 

monochromatic light, produced by a laser source, and scattered 

light  is  registered  using  high  resolution  spectrometers  and 

sensitive detectors  [79],  [80],  [81],  [82]. Practically, most  of  the 

scattered  light  has  the  same  frequency  as  the  incident  laser 

radiation. Only  very  small  amount  of  scattered  light  contains 

information  about  studied  matter,  which  is  measured  by  a 

frequency shift  from  the  laser  frequency. Fig. 1‐15  represents a 

typical  Raman  spectrum  of  single‐walled  carbon  nanotube 

which  contain,  so  called,  G  (~1500  cm‐1),  D  (~1355  cm‐1)  and 

RBM‐bands. The G‐band is associated with optical vibrations of 

two adjacent  carbon atoms  in  lattice having  ʺgraphiticʺ atomic 

structure.  D‐band  indicates  presence  of  structural  defects.  In 

low‐frequency  region  Raman  spectra  could  contain,  so‐called 

Radial  Breathing  Mode  ‐  RBM‐band,  which  is  a  typical 

characteristic  of  nanotubes.  The  RBM‐band  is  associated with 

symmetric  vibrations  of  carbon  atoms  in  the  radial  direction. 

The  RBM‐band  frequency  is  proportional  to  the  nanotubes 

diameter  (~  1/dNT).  The  G  to  D  bands  intensity  ratio  allow 

estimation of density of structural defects. If intensity of D‐band 

is  significantly  lower  than  intensity  of  G‐band  this  indicates 

presence of sufficiently small amount of structural defects [76].  

 Figure 1‐15. An example of typical Raman spectrum of single‐walled carbon nanotube. 

The  structural  models  represent  schematically  atomic  vibrations  corresponding  to 

different RS modes. 

Page 40: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         29 

Popularity  of  Raman  spectroscopy  in  studies  of  carbon 

materials is determined by important advantages of this method. 

It requires little or no sample preparation and does not depend 

of  water  absorption  band.  This  allows  carrying  out 

measurements  of  solids,  liquids  and  gases  through  the 

transparent containers such as glass, quartz and polymers. 

1.4.2 X‐ray diffraction 

X‐ray diffraction is a classical method for determining crystal 

structure  of  different  types  of  material.  Structural  studies  of 

carbon materials with usage of  this method have been  carried 

out  for  a  long  time.  This  method  allows  distinguishing  the 

carbon  allotropes,  graphitic  and  amorphous  carbon.  When 

carbon  materials  produce  it,  structure  can  vary  over  a  wide 

range depending on  temperature and other conditions applied. 

In particular,  carbon  atoms  in plane  of  graphite  layers  can  be 

rotated or shifted laterally in respect of their ideal orientation in 

the graphite  structure. These detailed  features  are mirrored  in 

the X‐ray spectra. Estimation of diffraction peak width provide 

information about coherent scattering region size and area with 

large crystal distortions [83], [84]. 

The shape of diffraction peak can relay to phase composition. 

So,  the  asymmetry  of  the  diffraction  peak  profiles  which 

observed  in  some  samples  for  both  small  and  large  scattering 

angles is typical characteristic of multiphase materials. It may be 

caused  by  presence  of  ordered  and  amorphous  carbon  in  the 

samples.  X‐ray  diffraction  allows  controlling  functionalization 

process  of  carbon  materials.  Due  to  functionalization  some 

characteristic  peaks  of  spectra  are  shifted  and  changed  their 

parameters [85], [86]. 

The  analysis based on observations of X‐ray diffraction has 

some disadvantages. One of  the most significant relates  to size 

of  sample. While  the method  allows  determination  of  sample 

cell parameters with high accuracy volume of the sample should 

be  quite  large  that  often  difficult  for  nanomaterial  studies. 

Additionally,  the method  provides  integral  information,  i.e.  it 

cannot be used for identification local structural distortions.  

Page 41: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

30         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

1.4.3 Scanning Electron Microscopy  

Morphology, shape and size distribution of carbon‐contained 

micro  and  nanoparticles,  local  and  average  microstructure 

information, presence of pores, cracks and other defects – these 

data  are  very  important  in  structure  characterization  and 

growth processes optimization of carbon materials [87], [88].  

Scanning  electron  microscopy  allows  obtaining 

microstructure  information  with  high  accuracy,  as  well  as 

integrated  information  from different areas of  the  sample. The 

resolution of a SEM image depends on electron beam probe size 

and on volume of interaction between the incident beam and the 

sample. Microstructure  information  could  be  obtained  from  a 

depth  in  range  of  tens  of  nanometers  up  to  few  microns 

depending on e‐beam accelerating voltage (from 1 kV to 30 kV) 

and on atomic number of sample material. The smallest electron 

beam probe size and the highest signal to noise ratio is required 

to achieve  the SEM  image with  the best spatial resolution. The 

smallest diameter of  the probe size  for  the LaB6 cathode  is ~ 5 

nm while for field emission gun is ~ 5‐25 nm. The resolution of 

the modern SEM instruments is about several Angstroms, which 

is  achieved  with  field  emission  electron  source  and  special 

design of optical system of electron column. SEM images could 

be  formed  by  registration  of  secondary  and  backscattered 

electrons.  Secondary  electron  imaging,  being  more  surface 

sensitive,  has  greater  resolution.  On  the  other  hand, 

backscattered  electrons  are  sensitive  to  atomic mass  of  nuclei 

they  scatter  from.  Therefore,  heavier  elements  which  back 

scatter  electrons  with  high  energy  more  efficiently  appear 

brighter than lighter elements. Thus SEM image in backscattered 

electrons mode will possess a composite or Z‐contrast. 

1.4.4 Energy‐Dispersive X‐ray Spectroscopy 

The  scanning  electron  microscopes  (and  transmission 

electron  microscopes  (TEM)  also)  could  be  equipped  with 

facilities for chemical analysis of the samples by registration the 

X‐ray signals generated in interaction of e‐beam with the matter. 

Page 42: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         31 

EDS  technique  allows  to  carry  out  local  qualitative  and 

quantitative chemical analysis [89], [90], [91].  

The main advantage of X‐ray microanalysis of thin specimen 

is  improved  spatial  resolution  over  that  obtainable  in  a  bulk 

sample.  In  the  bulk  samples  normally  analyzed  in  SEM,  the 

electron beam diffuses in the sample to a depth of 1‐5 μm. This 

limits spatial resolution of EDS by about 1 μm for bulk samples. 

In TEM  thin  foil  the electron beam passes  through  the  sample 

and  X‐rays  are  generated  in  a  volume  corresponded  to  the 

focused probe  size and  the electron  scattering area, which  is a 

function of both the thickness of the sample and the accelerating 

voltage.  The  accelerating  voltage  for microanalysis  in  SEM  is 

choose  to  provide  minimum  volume  of  beam  and  sample 

interaction  which  may  be  estimated  by  using  Monte‐Carlo 

simulation. On the other hand the energy should be sufficient to 

excite the characteristic lines of the analyzed element. 

The  X‐ray  qualitative  analysis  is  based  on  the  ability  of  a 

spectrometer  system  to measure  characteristic  line  energies  of 

specific  elements.  This  analysis  can  now  be  performed  with 

accuracy about 1%,  so measurement of  the characteristic X‐ray 

intensity  should be not  less  than  1%  in  accuracy. The  analysis includes  Fourier  filtering  technique  which  is  necessary  to 

remove background signal and to obtain  intensities of the  lines 

corresponding to analyzed elements [92]. 

1.4.5 Transmission electron microscopy  

Transmission electron microscopy is one of the most effective 

methods  of  structural  analysis.  One  of  the  greatest  TEM 

advantage  is  opportunity  to  analyze  information  both  in  real 

and reciprocal space. TEM is widely used nowadays for analysis 

different types of carbon nanocomposites and, in particular, for 

filled  nanotubes;  for  identification  grain  boundaries,  twin 

boundaries;  for  determination  particle  morphology,  size 

distribution,  inclusions  and  other  important  structural 

characteristics [93–95].  

Typical  range  of  accelerating  voltages  in  a  transmission 

microscope  is  80  ‐  300  kV.  It  depends  on  sensitivity  of  the 

Page 43: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

32         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

analyzed  sample  to  e‐beam  irradiation.  Typical  resolution  of 

transmission  microscope  is  about  0.2  nm  for  300kV.  The 

resolution is reduced due to chromatic and spherical aberration 

of the e‐beam optical system. Chromatic aberration contribution 

can be decreased or minimized by applying electron source with 

high  coherency  (typically  field  emission  gun)  or  with  use  e‐

beam monochromator. More details related to this problem will 

be  discussed  in  Chapter  2.  For  minimization  of  spherical 

aberration Cs‐corrector is used.  

The  procedures  of  the  transmission  electron  microscopy 

observation include wide range of techniques. In the bright field 

TEM  the  image  is  formed  by  transmitted  e‐beam.  In  this  case 

obtained contrast in TEM image is proportional to the thickness 

and  density  variations  in  a  sample.  Dark  field  TEM  allows 

visualization  of  the  particles  or  sample  areas  having  different 

compositions. Formation of the dark field image requires usage 

of  only  single  diffracted  e‐beam.  This  techniques  allows 

detection of distribution of size and orientation of  the particles 

in  the  sample  [96],  [97]. Electron diffraction  (ED)  analysis  can 

provide  important  information  about  crystallinity  of  the 

samples, i.e. about amorphous, polycrystalline and single crystal 

structure.  Phase  identification  of  the  samples  can  be  revealed 

through ED data, including interplanar distance, angles between 

reciprocal vectors. 

1.4.6 High resolution imaging  

The  high  resolution  transmission  electron  microscopy 

(HRTEM)  technique  is  currently  one  of  the most  informative 

methods  for  structural  analysis with  atomic precision. Among 

wide  range  of  structural  information,  the  linear defects  of  the 

crystal lattice could be identified by this technique. The HRTEM 

allows  revealing  of  the  grains  and  interphase  boundaries 

structure  and measurement  of  the  lattice distortions  [98],  [99], 

[100]. 

The HRTEM  image  is  formed by  transmitted and diffracted 

beams  interference.  Thus,  the  correct  interpretation  of  the 

HRTEM image contrast is not possible without usage of modern 

Page 44: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 1: Review of the structural features of carbon materials 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         33 

methods  of  image  simulation.  More  detail  information  on 

formation of the TEM images could be found e.g. in [101]. 

1.4.7 Scanning transmission electron microscopy (STEM) 

Modern  transmission  electron 

microscopes are equipped  frequently 

by STEM mode attachements.  In  this 

mode  specimen  is  illuminated  by 

convergent beam and scanned similar 

to the SEM technique. A schematic of 

the  STEM  technique  is  presented  in 

Fig. 1‐16. STEM images are formed by 

collecting  incoherently  scattered 

electrons  which  are  highly  sensitive 

to variations in the atomic number of 

atoms  in  the  sample  (Z‐contrast 

images) [102]. The scattered electrons 

are  recorded  with  a  high  angle 

annular  dark‐field  detector  (HAADF).  So  far  thickness  of  the 

samples  analyzed  with  TEM  is  quite  small  the  volume  of 

electron beam interacting with the sample is quite small too and 

0.2  nm  resolution  could  be  achieved.  The  resolution  could  be 

improved up  to  0.08 nm by  applying  spherical  aberration  (Cs) 

correctors.  It  should  be  noted  that  interpretation  of  STEM 

images  contrast  is  not  complicated  because  of  image  contrast 

proportional  to  the  atomic  number  of  the  element. Using  this 

mode  a  significantly  improvement  of  carbon  material  phase 

analysis accuracy could be obtained [103], [104], [105]. 

1.4.8 Atomic structure simulation 

Proper  phase  refinement  and  crystal  orientation  relative  to 

incident  beam  couldn’t  be  done  without  experimental  and 

simulated  HRTEM  images  compassion.  For  this  purpose,  the 

atomic  models  of  studied  nanocarbon  material  should  be 

elaborated.  The  atomic model may  be  calculated  according  to 

known data for bulk carbon material and measured interplanar 

distances and crystal orientation. On  the base of  the calculated 

Figure  1‐16.  Scheme  of 

scanning  transmission 

electron  microscopy 

Page 45: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

34         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

model and according to the TEM optical parameters the series of 

simulated HRTEM  images with  different  defocus  and  sample 

thickness  are  formed.  The  criterion  of  fidelity  of  the  phase 

composition and crystal orientation determination according  to 

the STEM data will be a function of images correlation. 

OBJECTIVES OF THIS WORK

This brief review of the carbon materials and their structural 

features presents  basis  for motivation  of  the Thesis where  the 

following topics of scientific interest are highlighted: 

 

to perform  the  theoretical  analysis of  the  carbon  atoms 

contrast  optimization  in  spherical  aberration  corrected 

transmission electron microscope; 

to analyze the atomic arrangement of guest crystal in the 

inner  channel  of  functionalized  single‐walled  carbon 

nanotubes  filled  with  1‐bromoadamantane,  mercury 

chlorine and cupper chlorine molecules;  

• to  reveal  the  structural  features  of  nanocrystalline  and 

single crystal diamond;  in particular,  to study of carbon 

bonds transformation under high‐temperature annealing; 

and  to  identify  of  structural  defects  in  crystalline 

diamond produced by CVD method; 

 

Page 46: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258            35 

2 General principles and 

practical aspects of TEM 

analysis 

This Chapter will be focused of some aspects of transmission 

electron microscopy  techniques which are  important  in  carbon 

materials  studying.  In  first  part  the  theoretical  principles  of 

electron  diffraction  and  TEM  images  formation  will  be 

discussed. The second part of the Chapter the practical methods 

of  electron‐optical  system  adjustment  at  spherical  aberration 

corrected TEM will be  considered. Fine  tuning of Cs‐corrected 

TEM allows to achieve enhanced signal‐to‐noise ratio. 

2.1 THEORETICAL ASPECTS OF ELECTRON MICROSCOPY

2.1.1 Electron diffraction 

Structure analysis in transmission electron microscopy (TEM) 

is based on effects occurring during interaction of electron beam 

(e‐beam) with material of  the sample. The periodic structure of 

the sample acts as a diffraction grating, scattering the electrons. 

Thus, analysis of the diffraction patterns formed by the scattered 

electrons  may  be  used  for  determination  of  the  sample 

structural characteristics.  

In  accord  with  L.  de  Broil  hypothesis  [106]  electron  has 

quantum  wave  properties  which  may  be  described  by  wave 

with  wavelength  λ,  which  are  determined  by  accelerating 

voltage V (i.e. by energy of electrons) by equation: ħ ħ ħ

      (2.1) 

Page 47: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

36         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

where   – mass of  electron,  e –  charge of  electron,  ħ  – Plank 

constant.  For  example,  at  accelerating  voltage  100  kV  the 

wavelength  of  electron  equals  to  0.0037  nm,  which  is  about 

hundred times less in comparison with interatomic distances of 

about 1Å (i.e. 0.1 nm) in order.  

Let us consider the case of electron scattering in the sample of 

material where long‐range order exists (i.e. atoms are located in 

space with periodical  regularity).  In  this case  incident wave of 

electron will be diffracted  on  atomic planes  in  according with 

equation of Wolf‐Bragg [107]: 

2 sin ɵ       (2.2) 

where  d  –  interatomic  distance  in material  of  the  sample,  ɵ  ‐ diffraction  angle,  n  –  integer.  The  correspondence  between 

structural  characteristics of  the material and parameters of  the 

diffraction pattern may be expressed by formula: 

 = Camera constant    (2.3) 

where  L  –  distance  from  the  sample  to  the  plane  of  the 

diffraction  image  which  is  registered  by  the  camera,  λ  – 

wavelength  of  electron,  r  –  distance  from  the  central  spot 

(corresponding  to  non‐scattered  electrons)  of  the  diffraction 

pattern, and d –  interatomic distance. The combination of  (2.2) 

and (2.3) formulas allows establishment of  interatomic distance 

from  the  diffraction  pattern  analysis.  Further  analysis may  be 

used  for  revealing  of  the  crystal  symmetry  characteristics  and 

calculation  of  unite  cell  of  the  crystal.  Additionally,  to  this 

information  revealing  from  location  of  the  diffraction  spots 

analysis of  their  intensities  allows determination of  shape  and 

dimensions of the crystal contained in the analyzed sample. 

Application of  this method  could be  considered  in example 

of  analysis  of  the  electron  diffraction  pattern  obtained  from  a 

monolayer  of  close  packed  porphyrin−fullerene  dyads 

molecules  (see  details  in  Article  I  in  the  Appendix).  Fig.  2‐1 

shows the diffraction pattern consisting of diffraction rings that 

correspond  to  polycrystalline  structure  of  the  sample  with 

randomly  oriented  crystalline  domains.  Small  width  of  the 

diffraction  rings  corresponds  to  domains  size  up  to  10  nm. 

Interpretation of experimental diffraction data is carried out, as 

Page 48: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         37 

a  rule,  by  applying  the  atomic  modeling  and  simulation  of 

diffraction  patterns  techniques.  In  the Article  I  the  analysis  of 

possible  types  of  the  molecules  ordering  in  close  packed 

structure was made  for  porphyrin−fullerene  dyads molecules. 

Primitive cell and atoms coordinates were determined  for each 

possible  type  of  the  packing.  Obtained  data  were  used  for 

simulation  of  diffraction  patterns  using  JEMS  software  [108]. 

The simulated patterns were compared with experimental data. 

The best correspondence was for molecules packing into triclinic 

structure with parameters of unite cell: а = 1.37 nm, b = 1.40 nm, 

c  =  2.47  nm,  α  =  89.6°,  β  =  90°,  γ  =  91°.  Further details  about 

motivation  of  this work, methods  for material  fabrication  and 

other  experimental  conditions  are  disclosed  on  Article  I  (see 

Appendix). 

 

 Figure 2‐1. Atomic model of the porphyrin−fullerene dyads molecule on the water sub‐phase  (a).  Model  of  the  triclinic  unit  cell  of  close  packed  molecules  (b). 

Experimental  (c) and  simulated  (d) diffraction patterns  for  a monolayer of  close 

packed molecules. Diffraction  intensities distribution  is  shown  for  the  simulated 

pattern (d). (The images reproduced in accord with Article I – see in Appendix). 

Page 49: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

38         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

2.1.2 Principles of image formation 

The combination of electron diffraction and imaging provides 

the unique capability  in TEM  for understanding  the properties 

of the crystals and possible defects. TEM image  is formed from 

the  interaction  of  the  electrons  transmitted  through  the 

specimen. These images represent distribution of intensity of the 

electron  beam  passed  through  the  sample  occurred  due  to 

absorption or/and scattering in material of the sample. Similar to 

diffraction  patterns,  the  TEM  images  are  captured  using 

luminescent  screen,  photo  plate/film  or  CCD  camera.  The 

example  of  TEM  image  is  shown  in  Fig.2‐2  representing  the 

GaSe  particles  (see  details  in  Article  II  from  Appendix).  The 

TEM  images  demonstrate  intensity  distribution  for  e‐beam 

passed  through  the  GaSe  particles  located  on  perforated 

amorphous  carbon  film used as a  support.  Intensity difference 

of e‐beam may be characterized by contrast which  is a  ratio of 

brightness of the neighboring local areas of the image. Analysis 

of TEM image contrast variation allows obtaining of information 

about dimensions and  location of  the structural peculiarities  in 

the sample. Relatively weak contrast for GaSe particles in Fig. 2‐

2 witnesses about small thickness of these particles which have 

platelet (quasi two dimensional) shape. Other details about this 

study are presented in Article II (see Appendix). 

 

 Figure  2‐2.  TEM  image  of  GaSe  particles  on  holey  carbon  support  film.  The 

images are reproduced from Article II (see Appendix). 

 

Page 50: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         39 

2.1.3 TEM optical system 

Formation  of  the  diffraction  patterns  and  TEM  images  in 

transmission  electron  microscopes  forms  by  electro‐optical 

(called also as  ‘optical’) system. Fig. 2‐3  schematically presents 

main  modes  of  this  system.  The  electron  gun  produces  a 

diverging beam of electrons, which passes through aperture and 

then  is  focused by  condenser  lens. Upper objective  lens  forms 

parallel  electron  beam  which  illuminates  the  sample.  Part  of 

electrons  of  the  primary  beam,  which  are  not  deflected  in 

sample,  and  electrons  diffracted  due  to  scattering  on  atomic 

planes  in  material  of  the  sample  are  focused  then  by  lower 

objective  lens.  Intermediate  and  projective  lenses  focus  the 

primary  and diffracted  beams  on  luminescent  screen  (or CCD 

camera).  Objective  aperture  allows  formation  of  diffraction 

pattern only  for  selected area on  the  sample. This  scheme was 

used for obtaining of the diffraction patter shown previously in 

Fig. 2‐1. 

The scheme of two types of TEM  images formation  ‐ bright‐

field  and  dark‐field  is  shown  in  Fig.  2‐3  (b  and  c, 

correspondingly). In both cases sample is illuminated by parallel 

e‐beam formed by the condenser lens. Bright‐field imaging (Fig. 

2‐3  (b))  is obtained by  focusing on detector screen  (covered by 

luminescent material,  photo‐film/plate  or CCCD  camera)  only 

non‐scattered part of  the e‐beam. Diffracted beams are rejected 

in  this case by objective aperture.  In  the opposite case of dark‐

field imaging (Fig. 2‐3 (c)) the non‐scattered part are eliminated 

by objective aperture while diffracted beams are passed through 

and focused on the screen.  

Contrast on  the bright‐field  images  is determined mostly by 

electron‐beam  absorption  in  the  material  of  the  sample.  The 

dark‐field  images  are  formed  by  diffracted  beams  and  thus 

possess so called ‘diffraction contrast’. In many cases, dark‐field 

imaging  is very  informative and use,  for example,  to visualize 

small particles and determine their morphology. 

 

Page 51: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

40         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

 Figure  2‐3. Scheme of  transmission  electron microscope with  electron  trajectories  in 

diffraction mode (a), bright‐field (b) and dark‐field (c) image mode. 

 

To demonstrate the difference between the bright‐ and dark‐ 

TEM  images Fig. 2‐4 shows  the  images of both  types captured 

for  the  area  of  sample  containing  GaSe  nanoparticles  on 

amorphous carbon film. The dark‐field  image (Fig. 2‐4 (b)) was 

obtained  using  e‐beam  corresponding  to  the  spot,  which  is 

denoted by circle on the diffraction pattern (see inset in Fig. 2‐4 

(b)). Other details of this research are disclosed in Article II (see 

Appendix). 

 

Page 52: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         41 

 Figure 2‐4. Examples of bright‐field (a) and dark‐field (b) TEM images of the same 

GaSe  nanoparticle  on  holey  carbon  support  film.  The  dark‐field  image  was 

obtained using diffracted e‐beam corresponding 010 spot marked on the diffraction 

pattern (shown in inset to the panel) (b). See details in Article II (Appendix). 

2.1.4 TEM resolution limit 

The most important characteristic of TEM is, probably, its 

resolution  ability.  The  resolution  itself  is  defined  as  device 

ability  in  displaying  closely  located  objects. A  quantitative 

measure  of  this  parameter  is  the  resolution  limit  of  the 

microscope,  that  is  the  shortest distance between  two point 

objects,  at which  they  are  distinguishable  as  separate  (i.e., 

appear  in  the microscope  as  two points)  (see  Fig.  2‐5). The 

diffraction  limit  ( )  is  the  most  important  value  which 

determines  the  resolution  ability  of  the  microscopes.  In 

accordance  with  Rayleigh  criterion  there  are  several 

equations that have been derived to express the relationship 

between wavelength and resolution [101]: 

1.22        (2.4) 

 

=.

=.        (2.5) 

where α is aperture angle of the lens or Numerical Aperture 

(NA) of objective and condenser  lens. Equation  (2.5)  is used 

when  the  microscope  is  in  perfect  alignment  (parallel 

illumination),  in  this  case NAcond=0.  The  resolution  limit  is 

achieved  at  90° opening  of  the  objective  aperture  (sinα= 1). 

Page 53: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

42         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

For  example,  the  diffraction  limit  would  be  2.3  pm  for 

electron  energy  of  100  kV  and  would  decrease  with  the 

energy. Practically, the NA for electromagnetic  lenses cannot 

be  set  to  1  due  to  generic  limitations  [109].  Thus,  the  real 

resolution  of  the microscopes  is  limited  by  different  factors 

including various imperfections of the optical system, energy 

spread of electrons, instability of accelerating voltage, thermal 

drift of the sample etc.  

The  optical  systems  imperfections  are  called  lens 

aberrations. The most important types of the aberrations are: 

spherical  and  chromatic  aberration,  axial  astigmatism,  and 

coma. Fig. 2‐6 presents  scheme of  rays  in an optical  system 

which  illustrates  definitions  of  spherical  and  chromatic 

aberrations. 

Spherical  aberration  is  the  reason  that  the  rays  pass 

through  the  lens are  focused at different distances  from  the 

geometrical  focus  of  the  lens.  This  occurs  due  to  the 

inhomogeneity  of  the  electromagnetic  field  in  the  objective 

lens. The rays passing through the lens at a distance different 

from the optical axis will be undergo the various effect of the 

spherical  aberration which  lead  to  deviation  of  rays  focus 

Figure 2‐5. Ray diagram representing 

the  lens  diffraction  limit.  Two  spots 

are  believed  to  be  resolved  (bottom 

right) when  distance  between  them  is 

more  than  spot radius. Focus position 

may  be  changed  from  image  plane 

position  (defocus) when  lens  strength 

becomes  weaker  (underfocus)  or 

stronger. 

Page 54: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         43 

position. Therefore, the focus of the lens is smeared along the 

optical  axis.  The  dimension  of  the  focus  spot  determines 

resolution  limit of  the microscope and may be estimated as 

,  where  CS  is,  so  called,  coefficient  of  spherical 

aberration  [110].  In  contrasts  to  the  diffraction  limit  ( ), 

which  is  reversaly proportional  to  the aperture angle of  the 

lens, the aberration limit is proportional to the angle aperture 

in third power (Fig. 2‐5c). It follows that for any given lens of 

fixed  spherical  aberration  coefficient  there  should  be  an 

optimum  angular  aperture  which  could  be  derived  at 

condition   =  С . Hence, we obtain:  

0.61         (2.6) 

 

 Figure 2‐6. Schematic representations of spherical (a) and chromatic aberration (b) 

that  prevent  the  beam  focusing  at  single  point.  The  diffraction  (εd)  and  the 

spherical aberrations (εсs) limit resolution in dependence on angular aperture (α) 

of the lens (c). The αopt is optimal value. 

 

Chromatic aberration  reflects  the situation when  the  rays 

of  radiation  with  shorter  wavelengths  are  refracted 

differently  than  rays  with  longer  wavelengths.  It  leads  to 

appearance  of  blur  of  focus  point  along  the  optical  axis. 

Chromatic  aberration  is  a  generic  aberration  for 

electromagnetic  lenses  [109]  and  its  coefficient  is  always 

positive, i.e. electrons with higher energy are focused further 

of the  lens. Resolution  limit due to chromatic aberration can 

be expressed as [111]: 

Page 55: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

44         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

Сс Сс∆

               (2.7) 

where СС – coefficient of chromatic aberration, ΔE/E – relative 

energy spread of electrons determined by both instabilities of 

accelerating  voltage  and  energy  distribution  of  electrons 

leaving  the  tip.  Thus,  the  negative  influence  of  chromatic 

aberration  can  be  partially  overcome  by  using 

monochromatic electron beams and highly stable accelerators. 

The energy spread of electron beam is determined by type 

of used electron source  (or cathode). Currently  two  types of 

cathodes  are  applied  in  TEM:  thermionic  electron  sources, 

which produce  electrons  as  a  result  of  thermionic  emission 

from tungsten filaments or crystals of lanthanum hexaboride 

LaB6, heated up to high temperature; and field emission gun 

(FEG), which produce electrons as a  result of  field emission 

effect, when strong electric field  is applied to the tip‐shaped 

conductive material (usually made of very sharp W needle). 

Typical brightness of electron beam produced by thermionic 

W  and  LaB6  cathodes  are  109  and  1010  A/m2sr, 

correspondingly,  while  energy  spread  of  electrons  in  the 

beams is about 3 eV for W and 1.5 eV for LaB6 [101]. Schottky 

type field emission sources provide e‐beam brightness up to 

1012 A/m2sr and electron energy spread of about 0.7 eV. The 

energy spread of electrons in the beam may be reduced well 

below 0.1 eV by using gun monochromator. The drawback of 

monochromation  is  a  significant  reduction  in  total  beam 

current,  thus high brightness  sources  are very beneficial on 

mochromated systems. 

Another  type  of  TEM  optical  system  imperfections  is 

distortion of an axial symmetry of  the  lens which causes an 

appearance of another type of aberration in focusing systems 

for optical, electron and other beams. This type of aberration 

is called as astigmatism. Schematic presentation of such kind 

of  system with  astigmatism  is  shown  in  Fig.  2‐7  where  it 

leads  to difference between  the focal  length  for rays passing 

in the plane of  the figure, and for rays, which are  located  in 

the perpendicular plane. 

 

Page 56: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         45 

Figure  2‐8.  Scheme  of  rays  in  the 

optical system illustrating formation of 

coma aberration.

 Figure 2‐7. Astigmatism is the result of axial asymmetry and leads to variations 

in  the  focal  length  for different angles around  the optic axis. This  is resulting  in 

co‐existence of two principle focus lines located at right angles along the axis. 

 

Axial asymmetry of  the system results  in azimuthal  focal 

length dependence (Fig. 2‐7). In contrast to the spherical and 

chromatic aberrations, astigmatism may be compensated by 

special  non‐round  optical  elements  ‐  stigmators, which  are 

incorporated  into  the microscope  lens  to  create  additional 

magnetic field.  

Another  important  type 

of aberrations is coma. This 

aberration  may  appear 

when  incident  beam  is 

tilted  in  respect  of  optical 

system  axis  (see  Fig.  2‐8). 

Focusing  of  the  incident 

rays  in  different  points 

creates  specific  blurring  of 

the  focal  point  with  shape 

of  coma. Adjustment  of  the 

optical  system  to avoid  formation of  the coma  is critical  for 

high resolution TEM image formation.  

2.1.5. Phase contrast formation and imaging with atomic 

resolution  

The  imaging  contrast  which  was  discussed  before  in 

Section 2.2  is  formed by  in‐plane variation of  the amplitude 

of the electron wave which  is happens because of difference 

Page 57: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

46         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

in  absorption  and  scattering of  separate  areas of  the object. 

This  contrast  is  called  ‘amplitude  contrast’.  Alternatively, 

‘phase  contrast’  in  the  TEM  images  appears  as  a  result  of 

phase  shift  of  electrons  passing  through  the  sample.  The 

phase  shift  itself  cannot  be  detected  as  far  the  detection 

system  records  intensity  (a square of amplitude) of electron 

wave.  In  order  to  convert  the  phase  variations  into  the 

variations  of  intensity  an  optical  system  should  possess 

particular  types of geometrical aberrations,  the deficiency of 

focus (“defocus”) being the main used for this purpose. 

The  geometrical  aberrations  of  the  optical  system  of  the 

microscope may be defined via phase shift of the plane wave 

after  it  passed  throughout.  Typically,  these  aberrations  are 

defined in reciprocal space as a phase shift χ dependence on 

space  frequency  u.  The  space  frequency  u  is  parameter 

equivalent  to  the  reciprocal  space  vector which  is  used  for 

description of radiation scattering in crystals. If only defocus 

and  3rd  order  spherical  aberration  are  considered  the 

aberration function may be represented by equation [101]: 

χ πΔf     (2.8) 

where Cs ‐ spherical aberration coefficient, Δf – defocus. The 

aberration  function  produces  main  input  into  contrast 

transfer  function  (CTF) of  the microscope which determines 

how  the  amplitude  and  phase  of  electron  wave  are 

transferred from the object to the image plane.  

For  a weak‐phase  object  (thin  sample)  CTF  is  given  by 

[101]:  

2       (2.9) 

where A( ) is aperture function: A( )=1 at u≤  and A( )=0 at 

u> ,  where   is  spatial  frequency  corresponding  to  the 

aperture radius. The optimal shape of this function   is 

shown  in  Fig.  2‐9a. The  contrast  transfer  function  oscillates 

depending  on  space  frequency.  The  phase  contrast  can  be 

maximized by maximizing the integral below CTF. As far as 

Cs is fixed (for non‐corrected microscopes, see consideration 

for  corrected  case  below)  this  optimization  is  done  by 

Page 58: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         47 

varying the value of Δf. The optimal value for Δf is given by 

the formula [109]: 

        (2.10)  

and  is commonly called Scherzer  focus. Due  to  the  fact  that 

Cs  is  generically positive  for  electromagnetic  lenses,  Δfopt  is 

negative and as a consequence CFTfopt has broad band path at 

negative  values.  Practically  this means  that  optimal  phase 

contrast  will  be  negative,  i.e.  atoms  in  TEM  image  will 

appear dark on light background.  

The  equation  (2.8)  describes  an  ideal  case with  constant 

aperture function A(u) while in a real microscope the transfer 

function is attenuated according to equation [101]: 

      (2.11) 

where  с  and   are,  respectively,  the  damping  envelopes 

due to chromatic aberration (Cc) and beam convergence (α): 

exp       (2.12) 

exp     (2.13) 

where  δ  is  defocus  spread  caused  by  fluctuation  of 

accelerating voltage (ΔEv), the energy spread of the electrons 

(ΔEe),  emitted  by  the  filament,  and  the  energy  loss  of 

electrons  (ΔEs)  due  to  inelastic  scattering  in  a  specimen 

generated by variations of wavelength, resulting in chromatic 

aberration (Cc). Additionally, to that variations of current (ΔI) 

of the objective electron lens lead to the focal length change. 

Defocus spread (δ) can be expressed as [101]: 

δ= Сс 2   (2.14) 

The resulting CTF function of the microscope Ttotal(u) may 

be presented graphically as it shown in Fig. 2‐9b. To exclude 

effect of phase variation the images should be obtained in the 

range  of  space  frequencies  (u)  spans  from  zero  coordinate 

point  to  first  intersection  point  of  the  function  Ttotal(u)  and 

horizontal  axis.  This  point  defines point‐to‐point  resolution 

(pp)  and  corresponds  to  a minimum  distance  between  two 

point‐like  features  in  the object, which can be distinguished 

from each other: 

Page 59: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

48         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

0.65       (2.15) 

 

 Figure  2‐9. The  ideal CTF  function  of microscope without  taking  into  account 

chromatic aberration and beam convergence dumping envelops (a). Dependence of 

 with  respect  to u modified  by  the  damping  envelope  (blue  dashed 

curve) – (b). The calculations are made for Δf=‐100nm, Cs=2.2 mm. 

 

Spatial frequency at which Ttotal(u) becomes zero defines so 

called  information  limit  (marked at Fig. 2‐9  (b) as  ). This 

point  determines  the  highest  frequency  which  can  be 

transferred through the optical system: 

      (2.16) 

The  information  limit  is  far  beyond  limits  of  point 

resolution  for  the microscopes with FEG sources because of 

their  high  space  and  time  coherency.  The  high  resolution 

atomic  scale  imaging  may  be  achieved  but  the  complex 

dependence  of  the  contrast  on  space  frequency  requires 

usage  of  image  simulations  for  correct  determination 

positions of atoms.  

Fig. 2‐10 shows an example of the high resolution imaging 

with  TEM.  This  image  presents  atomic  structure  of  thin 

Page 60: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         49 

quasi‐two‐dimensional  Si  crystal.  The  distances  and  angles 

between  atomic  columns  were  determined  using  Fourier 

transformation  and  diffraction  patterns  simulations. 

Estimation of  the distances between  spots  in  the diffraction 

patterns and angles between vectors directed  from  the center 

to  the  analyzed  diffraction  spots  allows  establishing  of  cubic 

primitive  cell and determining  the orientation of  the  crystal  in 

respect  to  the  incident  beam  of  electrons.  To  confirm 

correspondence  of  the  experimentally  obtained  image  to 

silicon,  the methods  of  computer  simulations were  used  to 

obtain  images  with  atomic  structure  and  the  simulated 

images were compared with  the experimental data.  Inset  in 

Fig.  2‐10а’  shows  calculated  images  for  silicon  crystal with 

thickness  of  6.9 nm  at defocus  65.5 nm.  Inset  in Fig.  2‐10b’ 

shows  the calculated  image  for  the crystal with  thickness of 

9.3 nm at defocus 64.5 nm. More details about this study may 

be found in Article III (see Appendix). 

 

 Figure  2‐10. HRTEM  image  of  the  flat  Si  crystals.  The  diffractograms  of  the 

selected  areas  (a)  and  (b)  correspond  to  [101]  (c)  and  [112]  (d)  zone  axis, 

respectively. Image simulation (insets) are shown on filtered image correspond to 

crystal thickness of 6.9 nm and defocus of 65.5 nm (a’); and  for crystal thickness 

9.3 nm and defocus is 64.5 nm (b’). See further details in Article III (Appendix). 

2.1.6 Improvement of resolution by aberration correction 

Resolution  of  the  microscope  can  be  significantly 

improved  by  correction  of  one  of  the  most  important 

Page 61: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

50         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

parameter – the spherical aberration of the objective lens. For 

the first time the method of the aberration corrections has been 

proposed by Sherzer in 1947 [112], who has developed strategies 

to correct the chromatic and the spherical aberration of a round 

magnetic  lens.  In  one  of  proposed  variants  the  corrections 

include  introduction  of  non‐round  optical  elements  into 

magnetic lens system. In this case the magnetic field of reduced 

azimuthal  symmetry  is produced due  to  rotational asymmetry 

of the lenses. Efficient correction of the lens aberrations may be 

achieved, potentially, with  such multi‐pole  lenses.  In  1990  the 

first aberration corrector with a new hexapole correction system 

has been proposed by Rose [113]. These correctors have proved 

possibility for increasing of resolution of electron microscopes.  

 Figure  2‐11.  Schematic  presentation  of  the  spherical  aberration  corrector  with 

hexapoles. 

 

The  compensation  of  the  spherical  aberration  for  STEM mode 

has  also  been  started  in  the  1990s.  The  proof  of  principle  has 

been demonstrated in 1997 by Krivanek [114]. At now days two 

designs  of  spherical  aberration  corrector  are  in  use:  the 

octupole/quadrupole  type  and  the hexapole  type. A  schematic 

representation of the hexapole corrector is shown in Fig. 2‐11. 

Corrected system  is thus composed of the objective  lens, the 

telescopic transfer doublet, and the hexapole corrector itself. The 

corrector  consists  of  two  sextupoles  (hexapoles)  and  another 

telescopic  round  lens  doublet  formed  by  two  identical  round 

lenses  separated  from each other by a distance of double  focal 

length.  The  doublet  reverses  the  course  of  the  paraxial 

trajectories images the sextupole located at the front‐focal plane 

Page 62: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         51 

of  the  first  lens with magnification  onto  the  second  sextupole 

placed at the back focal plane of the second lens. 

For aberrations correction, it is necessary in the first stage 

to measure aberrations and  then  to compensate them. There 

are  different  approaches  for  the  aberration  estimation, 

including:  applying  correlation  functions  for  simulated  and 

experimental  images;  estimation  of  the  reconstructed wave 

functions; and diffractograms analysis. The most widely used 

approach  is  the  diffractograms  analysis  of  the  amorphous 

carbon  film  including  Fourier  transformation  of  high 

resolution TEM image. This method was proposed at the first 

time  by  Thon  [115].  An  example  of  diffractogram  of 

amorphous film with 23 nm defocus is represented in Fig. 2‐

12.  It  consists  of  series  of  light  and  dark  rings  and  their 

intensity may be expressed by equation (compare to 2.8): 

| | ~sin       (2.17) 

From this dependence one can see that dark and light rings 

of  the diffractogram  correspond  to  bands  and  gaps  of CTF. 

The  values  of  defocus,  two‐fold  astigmatism,  spherical 

aberrations,  and  even  high‐order  aberrations  may  be 

calculated on the basis of analysis of the diffractograms using 

contrast transfer function which  is determined by the optical 

system aberrations.  

Small  two‐fold  astigmatism  may  be  calculated  using 

measured values for diameters of light and dark rings which 

will  have  elliptical  form  (see  Fig.  2‐12d).  The  light  rings 

correspond to sin(χ(u))= 1, and the dark rings correspond to 

sin(χ(u))=0. Thus, we obtain two values:  

for dark rings χ u , where n is odd,     (2.18) 

for light rings χ u , with even n.       (2.19) 

Substituting  these  values  into  equation  for  aberration 

function (2.7) we obtain: 

2       (2.20) 

For defocus estimation, it is better to use first dark rings than 

first  light  ring. For  the  first dark  ring n=2. The  second  term  in 

(2.20)  can  be  neglected  for  the  microscopes  with  spherical 

Page 63: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

52         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

aberration  correction  because  of  small  value  of  the  spherical 

aberration coefficient (tens of μm). Thus, we obtain: 

        (2.21) 

By estimation of diameter of  first  ring  in  two perpendicular 

directions  (u1 and u2 in Fig. 2‐7d) we can calculate defocus and 

astigmatism values:  

,          (2.22) 

The  resulting  defocus  and  two‐fold  astigmatism  may  be 

calculated as average and difference of these two parameters: 

        (2.23) | |

        (2.24) 

 

 Figure 2‐12. (а) – Profile of relative  intensity distribution created  from the center of 

the  diffraction  pattern  along  arrow  shown  in  panel  c.  (b)  ‐  CTF  function  of  the 

microscope  (300  kV,  Cs=1.2  mm,  С1=23  nm).  (c)  and  (d)  –  calculated  diffraction 

patterns for double‐axis astigmatism A=0 nm and A=81 nm, correspondingly.  

 

The  estimation  of  spherical  aberration  coefficient  is  more 

complicated.  For  uncorrected microscopes  one  should  take  it 

into  account  dependence  of  Cs  versus  positions  of  rings  in 

equation  (2.19).  By  plotting  nu‐2  versus  u2  one  obtains  the 

straight line with slope Csλ3  [116]. 

For Cs corrected microscopes usually aberration estimations 

carried  out  by  analysis  of  diffractograms  obtained  at  tilted 

illumination. This method was proposed in 1978 by Zemlin and 

Page 64: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         53 

is  realized  using,  so  called,  Zemlin  tableau.  It  provides more 

accurate  aberrations  measurement  [117].  Moreover,  it  allows 

calculation  of  higher‐order  and  non‐centrosymmetric 

aberrations. The Zemlin  tableau example  is shown  in Fig. 2‐13. 

The  diffractograms  were  obtained  under  beam  tilting  (with 

azimuthal  rotation  from  0  to  2π)  and  along  optic  axis  (central 

image).  Fig.  2‐13(b),  (c)  shows diffractograms  before  and  after 

aberration  compensation.  Aberration  compensation  leads  to 

ellipse‐to‐rings shape transformation (Fig. 2‐13c).   

 Figure 2‐13. Zemlin tableau: series of diffractograms obtained at tilted electron beam 

(a). Examples of diffractograms before (b) and after (c) aberration correction.  

 

Cs‐correction  allows  reduction  or  even    conreverce  the 

value  of  spherical  aberration.  Comparison  of  the  CTF 

functions  at  Sherzer  defocus  for  uncorrected  (Cs=1.2  mm) 

and corrected (Cs=0.02 mm) TEM with accelerating voltage of 

300  kV  are  presented  in  Fig.  2‐14.  The  point  resolution  is 

drastically  improved  from  0.22 nm  to  0.08 nm. The 

simulations are made using CTF Explorer software [118]. 

Thus, Cs‐correction allows control over the value of Cs in 

addition to ∆f, thus extending the parametric space available 

for  optimizing  the  imaging.  At  these  conditions  the 

aberration  function  should  be  reviewed.  The  (2.7)  equation 

was derived with assumption that Cs is `dominantʹ and fixed 

geometrical  aberration.  The  role  of  higher  order  aberration 

Page 65: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

54         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

was  assumed  to  be  negligible.  To  describe  the  information 

transfer for ultra‐high resolution imaging besides the correctable 

twofold  axial  astigmatism,  additional  anisotropic  axial 

aberrations,  such  as  threefold  astigmatism  and  axial  coma, 

would need to be considered[119,120]. 

 Figure 2‐14. Comparison of the contrast transfer functions at Sherzer defocus for 

uncorrected and corrected TEM with accelerating voltage of 300 kV: (a) ‐ Cs=1.2 

mm, (b) ‐ Cs=0.02 mm. 

 

The  aberration  function will  have  a more  complex  view 

taking into account higher order and asymmetric geometrical 

aberrations. Using a common notation  [121,122],  it could be 

represented as: 

 12

12

13

 

14

14

 

…  (2.25) 

 

where  complex  scattering  angle  ,  and  its  complex 

conjugate is  . The notations of geometrical axial aberrations 

Page 66: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         55 

used  from now  on  are  represented  in Table.  2.1. The detail 

review of theory of aberration is presented in [122]. 

 

Table 2.1. Geometrical axial aberrations 

 

Aberration Symbol Defocus (∆f) C1 Two-fold astigmatism (A) A1 Second-order axial coma B2 Three-fold astigmatism A2 Third-order spherical aberration (Cs) C3 Third-order star aberration S3 Four-fold astigmatism A3 Fourth-order axial coma B4 Fourth-order three-lobe aberration D4 Five-fold astigmatism A4 Fifth-order spherical aberration C5 Six-fold astigmatism A5

 

So,  for  Cs‐corrected  microscopes  the  estimation  of 

aberration for it proper adjustment is necessary.  

2.2 OPTIMIZATION OF SPHERICAL ABERRATION CORRECTION FOR NANO-CARBON MATERIALS (EXPERIMENTAL PART)

Significant  improvement of spatial resolution and ability  for 

study  of  the  samples  at  low  accelerating  voltages  become 

possible with application of  the spherical aberration correctors. 

Low  accelerating  voltage  allows  increase  image  contrast,  to 

reduce  the  radiation damage  (which  is  important  for  radiation 

sensitive  materials),  increase  of  sample  stability  and  other 

important  enhancements.  All  these  advantages  of  structural 

characterization  at  low  accelerating  voltage  are  especially 

important  for  low  atomic  number  materials  such  as  nano‐

carbons [123].  

As  it  was mentioned  before,  the  possibility  to  vary  C3  in 

addition to ∆f gives the opportunity for further optimization of 

Page 67: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

56         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

CTF  in  order  to  compensate  untunable  fifth‐order  spherical 

aberration  C5.  The  C5  parameter  is  the  next  after  С3  in  its 

contribution  into  aberration  function  (2.25).  Currently  C5 

correctors  are  still  in  the  development  stage  and  are  not  in 

common use, so we will assume that the value of this aberration 

is fixed by the construction of the optical system. The criteria for 

phase contrast CTF optimization  is essentially  the same as was 

mentioned  before  for  uncorrected  systems:  the  integral  under 

sin  should  be maximized.  This  is  achieved  by  a  proper 

choice  of  the  combination  of  defocus  C1  and  third‐order 

spherical  aberration  C3  in  order  to  compensate  the  action  of 

fifth‐order spherical aberration C5. 

There  is  substantial  number  of works  [124–126]  discussing 

optimal  settings  for  Cs‐corrector.  Typical  factors,  which  are 

accounted  for  are  the  values  of  C5  [121,127,128],  chromatic 

aberration [113,119,125], contribution of non‐linear terms in CTF 

[117,129],    contribution  of  amplitude  contrast  [122].  It  is  a 

common perception  that negative spherical aberration  imaging 

(NCSI)  [130,131]  in  preferential  for  the  corrected  systems. 

However,  this was  so  far demonstrated  for  strongly  scattering 

crystals,  and  up  to  our  knowledge  was  not  confirmed 

theoretically for light materials like carbon. There are a number 

of  other  issues  related  to  carbon  materials,  which  should  be 

considered  as  additional  parameters  contributing  to 

optimization,  namely:  necessity  to  maximize  the  contrast  in 

order  to  reduce  the  dose,  necessity  to  use  sub‐threshold 

accelerating voltage (≤80kV), stringent constrains for accuracy of 

aberration correction at  low accelerating voltages  to mention a 

few.  These  considerations  lead  us  to  perform  an  extensive 

theoretical  study  on  optimization  of  the  contrast  of  carbon 

atoms  in corrected system and  in particular the performance of 

the corrector itself. 

2.2.1 Equipment 

The measurements  in  this work were performed on a high‐

resolution  transmission  electron  microscope  Titan  60‐300 

TEM/STEM  (FEI,  The Netherlands) with  high‐brightness  field 

Page 68: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         57 

emission gun X‐FEG at an accelerating voltage of 80 kV  (Fig.2‐

15). To minimize  the  contribution  of  the  chromatic  aberration, 

the microscope  was  equipped  with  a monochromator, which 

allows  reducing  energy  beam  spread  less  than  0.1  eV.  The 

spherical  aberration  of  the  objective  lens was  compensated by 

CEOS  (CEOS,  Germany)  corrector.  HRTEM  images  were 

acquired  by Gatan  (Gatan, USA) UltraScan1000  2k  x  2k CCD 

camera. 

2.2.2 Test samples 

The graphene was chosen as a test sample because it has one 

atom  thickness,  which  eliminates  unambiguity  in  thickness 

determination and allows for direct interpretation of the images 

in terms of atomic structure. Graphene samples were grown by 

chemical vapor deposition method using 25  μm  copper  foil as 

the substrate. The graphene monolayer is transferred onto TEM 

Au  Quantifoil  grids  with  holey  carbon  film  using 

polymethylmethacrylate  (PMMA)  as  the  sacrificial  polymer 

layer and ferric chloride as the copper etching agent [132].  

 

 Figure  2‐15. Transmission  electron microscope FEI Titan 60‐300 with X‐FEG gun, 

monochromator and CEOS Cs‐spherical aberration corrector. 

Page 69: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

58         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

2.2.3 Procedure of aberrations measurement and correction 

The screenshot of CEOS Cs‐corrector interface is presented in 

Fig. 2‐16. Correction procedure consists of two main parts: first 

aberration evaluation and second correction of them. Aberration 

estimation is carried out by acquiring Zemlin tableau [117]. The 

process takes place in an interactive mode, where the role of the 

operator  is  to  select  the  optimum  measurement  conditions 

(magnification,  beam  tilt  angle,  exposure  time,  defocus), 

measuring and evaluating the correctness of the decision to the 

subsequent  step.  The  aberration measurements  and  correction 

are made by corrector software.   

2.2.4 Roadmap for corrector optimization 

Following  steps were  performed  to  achieve  the  purpose  of 

this Chapter:   

Evaluation  the  aberration  measurements  algorithm, 

revealing systematic errors and accuracy;  

Determination  of  the  optimal  measurement 

conditions  (beam  tilt  angle, magnification)  for better 

accuracy; 

Determination the optimal combination of C1, C3 and 

C5 parameters for maximum contrast of carbon atoms 

(maximal signal‐to‐noise ratio); 

Experimental evaluation of  the  findings on graphene 

sample. 

 

Page 70: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         59 

 Figure 2‐16. Layout of Zemlin tableau measurement. 

2.2.5 Evaluation of corrector software algorithm  

For  evaluation  of  CEOS  software  aberration measurements 

algorithm  the  series  of  calculated  images  with  specified 

aberrations  are  simulated.  These  calculated  images  are  then 

analyzed  by  the  corrector  program,  which  measures  these 

aberrations  value.  Comparison  of  simulated  and  measured 

values gives the estimation of corrector performance.  

Emulating  of  Zemlin  tableau  requires  simulation  of  the 

images  at  tilted  illumination  with  account  for  off‐axial 

incoherent  aberrations,  in  particular  for  off‐axial  chromatic 

aberration.  In  contrast  to  on‐axis  case,  where  chromatic 

aberration can be accounted for as the blur of defocus and thus 

as  in‐plane  symmetric  smearing  of  the  image,  at  tilted 

illumination this blur of defocus is directional (see fig.2‐17 left). 

In practice this aberration is seen on the FFTs of high resolution 

images as so called “bananas”. An example of (simulated) image 

of amorphous film at tilted conditions and corresponding FFT is 

represented at fig.2‐17 middle and right respectively. Simulation 

of  this phenomena  so  far was not demonstrated,  though  there 

are  a  few  papers  discussing  CTF  for  tilted  illumination  for  a 

very  simplified  cases  (not  accounting  for  the  sample,  dose, 

camera, aberrations higher than defocus, etc.) [125,133]. Here we 

propose and realize the method of simulating tilted illumination 

Page 71: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

60         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

with  account  for  the  sample  properties  (thickness,  density, 

composition, structure, inclination), all axial aberrations, as well 

as  imaging  parameters  (magnification,  dose,  CCD MTF).  The 

method uses a direct integration of images through 

        (2.26) 

assuming Gussian distribution of energy spread. An example of 

thus calculated Zemlin tableau is represented at fig 2‐18.  

 

 Figure  2‐17.  (a) – Scheme of considered  tilted  illumination geometry  for  simulating 

the HRTEM image of amorphous carbon film (b) and it FFT (c).   

 

The data set of 17 calculated diffractorgams calculated  from 

simulated  images with  illumination  inclination  of  18 mrad  is 

shown in Fig. 2‐18.). Calculations are done for every tilt angle (τ) 

from 10 to 35 mrad with 1 mrad step (Fig2‐18, left). For each tilt 

angle,  the  set of diffractogram  is  calculated. Thus,  around  600 

diffractograms  are  calculated  and  analyzed.  All  sets  of 

simulated data are loaded into corrector software and aberration 

value are estimated. 

Simulated  data  are  compared  with  experimental 

measurements on graphene sample. As well as to the calculated 

data,  aberration  measurements  are  carried  out  in  the 

illumination tilt range from 10 to 35 mrad. 

Measured C3 value versus electron beam inclination angle for 

the calculated and experimental data are shown in Fig. 2‐19. The 

experimental points are shown on the plot by blue squares, the 

Page 72: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         61 

theoretical values  shown by  crosses. Analysis of obtained data 

by fitting curve allows evaluation C5 parameter.  

 

 Figure 2‐18. An example of tableau calculated  from simulated  images which  include 

aberrations up  to C5  (beam  tilt angle  τ=18 mrad). Nominal defocus C1  is  ‐250 nm, 

C3= ‐30 μm, C5=12 mm, 500 nm of coma is introduced in addition. 

 

We have calculated such tableau for the tilt ranges (τ) from 10 

to 35 mrad assuming the following settings: amorphous carbon 

sample  thickness  1nm,  sample  temperature  300K,  accelerating 

voltage  80kV,  C3=‐30um,  C5=12mm,  defocus  250 nm,  defocus 

spread  10nm, magnification  x250K. All  sets  of  simulated  data 

are  loaded  into  corrector  software  and  Cs‐values  and  its 

“confidence”  levels  are  measured.  The  results  of  these 

measurements are represented on Fig. 2‐19. 

Defocus  value  measured  by  corrector  is  right  (250.1 nm), 

however  the  values  of  C3  significantly  deviate  from  the 

simulated value (horizontal dashed line, Fig. 2‐19). Error bars of 

the measured points represent confidence levels reported by the 

corrector software and are order of magnitude smaller than the 

deviations of C3 from the true value. Observed dependence of C3 

from the tilt range could be potentially explained by neglecting 

Page 73: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

62         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

the  contribution  of  C5  in  fitting  algorithm  (which  is  most 

probably the case). In this case the measured value of C3 would 

deviate from true value (for the type of tableau used) as: 

С 1.576     (2.27) 

This curve calculated  for simulation parameters  is shown  in 

green  on  Fig2‐19.  It  is  seen  that  even  after  accounting  for  C5 

there  are  substantial  deviation  of  the measurements  from  the 

real data. The closest  (and precise) measurement  is achieved at 

18 mrad with  a  systematic  shift  from  the  true  value  of  about 

+7 um. In the further practical work, we will be using this value 

for  measurements  as  well  as  will  be  accounting  for  this 

systematic shift in C3. 

Independent  calculations  (not  shown  here)  revealed 

optimum magnification,  optimal  defocus,  signal‐to‐noise  ratio 

necessary  for  reliable measurement  as well  as potential  errors 

induced  by  sample  tilt,  sample  thickness  and  calibrations 

imperfection. 

2.2.6 Contrast transfer function adjustment  

As  has  been  discussed  above CTF  optimization  consists  of 

estimation of optimal combination of defocus C1 and third‐order 

spherical aberration C3 providing  the maximum  integral under 

the CTF. This achieved by shifting the high frequency cutoff of 

CTF  to maximum  possible  value.  Two  limiting  factors  can  be 

considered  in  this  respect:  cut‐off  due  to  incoherent  envelope 

and  cut‐off  due  to  phase  contrast  oscillations  caused  by 

uncorrectable  C5  contribution.  These  two  cases  can  be 

discriminated  by  comparing  contributions  of  one  and  another 

shown  in  Fig.  2‐20. Presented  here  are  the dumping  envelope 

and phase shift  induced by C5 calculated  for  the parameters of 

our microscope  (80kV, Cc=1.7 mm, C5=12.4 mm, ∆E=90meV).  It 

is seen that dumping envelope still allows a substantial contrast 

transfer at 0.1 nm, while  the phase  shift  induced by C5  crosses 

π/2 value at about 0.2 nm, meaning from this frequency CTF will 

start oscillating. Thus, we can conclude,  that our  imaging  is C5 

limited and we will aim to optimize C1 and C3 for compensating 

Page 74: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         63 

C5  (see  also  [127]).  Such  optimization  results  in  the  values 

C1=10 nm, C3=‐24 μm assuming C5=12.4 mm. 

 Figure 2‐19. Dependencies of coefficient С3 on deviation angle of the beam in respect 

to  the  optical  axis.  The  crosses  –  data  obtained  by  analysis  of  the  calculated 

diffractograms. Dashed line shows the value implemented in simulations. Green curve 

represents the correction curve accounting for C5 (see text and eq. 2.25). 

 

 

Figure  2‐20. Two  limiting  factors  of Cs‐corrected microscope:    incoherent  envelope 

and  phase  contrast  oscillations  caused  by  uncorrectable  C5  (calculated  for  the 

microscope parameters: 80kV, Cc=1.7 mm, C5=12.4 mm, ∆E=90 meV).  

Page 75: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

64         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

 

We will demonstrate  the  importance of perfect alignment of 

correcting system on the base of the following examples: 

In  the  first  case CTF  is  treated  in  a  “classical” way,  i.e.  the 

contribution  of  C5  is  neglected  and  optimum  C1  and  C3  are 

found  in  a  classical  Scherzer  sense.  Such  approach  is  still 

common  in  scientific  literature  (see  for  example  [134]). At  the 

same  time  the  value  of C3  reported  by  corrector  is  trusted  in 

addition. The consequence of such approach is illustrated on Fig. 

2‐21 (a‐c), where (a) is the CTF the operator expects to have, (b) 

is the true CTF and (c) shows how this reflects on the  image of 

graphene dislocation core. 

In  the  second  case  the operator  is  smart  enough  to account 

for C5,  though  is  not  sufficiently  smart  to  be  concerned  about 

corrector measurements.  In  this case  the value of C3 set up  for 

imaging will differ but systematic offset discussed above, which 

will result in deviation of CTF from expected shape (Fig. 2‐21 d‐

e) and corresponding disturbance of the image (Fig. 2‐20f). 

Only  complete  accounting  for  system  aberrations  and 

corrector systematic errors allows  forming a perfect CTF shape 

(Fig. 2‐20 g‐h) ensuring clear  structural  image  (Fig. 2‐20  i) and 

maximum  contrast  which  represented  on  relative  intensity 

profile  (Fig2‐20  j).  Proper  setup  of  conditions  thus  allows  to 

increase  the  contrast  (and  thus  to decrease necessary dose) by 

almost 30%. 

An example of experimental  images of a  single wall carbon 

nanotube  and  graphene  were  obtained  using  optimized 

corrector adjustments are shown in Fig. 2‐22. 

 

 

 

 

Page 76: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 2: General principles and practical aspects of TEM analysis 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         65 

 

Figure  2‐21. Comparison  of different CTF  optimization  and  simulation  of HRTEM 

images of graphene in accordance with optical system parameters. (a‐c) In the first case 

CTF is treated in assumption of neglected C5 and optimum C1 and C3 are found. (a) is 

the CTF the operator expects to have, (b) is the true CTF and (c) simulated HRTEM 

image. In the second case C5 is considering in accordance with measured by corrector 

software value. (d) and (e) expected and real CTF and (f) simulated HRTEM. Last case 

the  complete  accounting  for  system  aberrations  and  corrector  systematic  errors. 

Coincide of expected (g) and real (h) CTF shapes and corresponding HRTEM image (i). 

Profile  of  relative  intensity distribution  (j) obtained  along  lines  selected  in HRTEM 

images (c, f, i). 

 

Page 77: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

66         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

 Figure  2‐22.  Examples  of  experimental  HRTEM  images  for  single  wall  carbon 

nanotube  (a)  and  for  single  layer  graphene  (b)  obtained  after  optimization  of  the 

microscope adjustments.  

SUMMARY OF THE CHAPTER 2

Analysis  of  aberration  measurement  algorithm  of  CEOS 

software revealed  the presence of a systematic error due  to  the 

absence  of  fifth‐order  spherical  aberration  coefficient  in  fitting 

algorithm.  Dependence  of  the  aberration  evaluation  accuracy 

with  respect  to  standard beam  tilt  angle was determined. The 

beam  tilt angle about 18 mrad corresponds  to  the most correct 

optical  system  aberration  evaluation.  Analysis  of  contrast 

transfer function of microscope with С5 optimization in different 

assumptions  reveals  optimized defocus  and C3 parameters  for 

highest signal‐to‐noise ratio. 

Page 78: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258            67 

3 Atomic arrangement of 

guest crystal in the inner 

channel of functionalized 

single‐walled carbon 

nanotubes 

The  functionalization  of  the  carbon  nanotubes  leads  to 

significant  change  of  nanotube  electronic  properties  [26,76]. 

Doping of SWCNT  films with  inorganic materials can  increase 

the film conductivity and change the optical absorption [76,135–

137].  Besides  SWCNT  could  be  used  to  create  novel  one‐

dimensional structures inside the nanotube channels, which are 

unstable as freestanding systems [138–140]. Among the various 

functionalization nanotubes methods, the filling by guest crystal 

molecules  is  the most  effective  one  [43,73].  Properties  of  the 

nanocomposite  based  on  filled  nanotubes  can  be  correctly 

interpreted only if structural organization of internal channel of 

the  nanotube  is  revealed  [47,77].  Among  different  structural 

methods high‐resolution  transmission  electron microscopy  is a 

leader  due  ability  provide  local  analysis  and  high  spatial 

resolution  [78,141].  These  parameters  are  very  essential  for 

studying  crystals  with  size  of  few  nanometers  and  rarely 

possessing of high order of atomic arrangement. Application of 

chemical  analysis  techniques  in  TEM  allows  revealing 

composition  and  the  real  crystal  structure  of  the  encapsulated 

crystal [47,78,101]. 

Page 79: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

68         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

In  this  Chapter,  we  will  consider  different  structural 

organization of  the guest  crystal molecules  in  inner channel of 

filled SWNTs: 

SWCNT filled by 1‐bromoadamantane molecules  

(1‐bromoadamantane@SWCNT) 

SWCNT  filled  by  mercury  chloride  molecules 

(Hg2Cl2@SWCNT) 

SWCNT  filled  by  copper  chloride  molecules 

(СuCl@SWCNT) 

3.1 SINGE WALLED CARBON NANOTUBE FUNCTIONALIZED BY ADAMANTANE MOLECULES

CNTs may  be used  as  a  nanoreactor  for producing  of  new 

one‐dimensional crystals. One of the most interesting tasks is to 

grow one‐dimensional diamond crystal. One of  the approaches 

to  reach  this  goal  is  to  analyze  the  1‐bromoadamantane 

molecules packing  into single walled carbon nanotube channel. 

It  is  supposed  that  after  CNTs  filling  procedure  and  heat 

treatment  these  molecules  will  crystallize  into  diamond 

structure. Control of  filling  results by  spectroscopic  techniques 

is difficult due  impossibility  to detect  the  presence  of  carbon‐

containing molecules inside carbon nanotubes. Due to presence 

of bromine atom  in  the guest molecule  filling  results  could be 

analyzed by EDS technique.  

The SEM image of the filled SWCNTs film and STEM image 

of the nanotubes bundle are presented in Fig. 3‐1. EDX spectrum 

obtained  from  the  selected  area  (white  rectangle)  is  clearly 

revealed  the presence of bromine Fig. 3‐1c. Bromine K‐ and L‐

lines  were  detected  for  1‐bromoadamantane@SWCNT.  Low 

signal  from  Fe,  which  can  be  attributed  to  the  presence  of 

catalytic particles in the samples, is also observed.  

Structure of filled nanotubes was studied by high resolution 

electron  microscopy  technique.  The  carbon  structures,  which 

looks  like  deformed  nanotube  in  the  inner  SWCNT  channel, 

were revealed. A series of HRTEM images with 0.1 sec exposure 

Page 80: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 3: Atomic arrangement of guest crystal in the inner channel of 

functionalized single‐walled carbon nanotubes 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         69 

were recorded  (Fig. 3‐2  (a)‐(e)). This  technique was applied  for 

visualization  of  free  bromines  atoms, which were  detected  as 

bright spots (marked by arrows).  

 

 Figure  3‐1.  SEM  (a)  and  STEM  (b)  images  of  1‐bromoadamantane@SWCNT. An 

EDS spectra from nanotubes bundle (selected by white box in (b)) – (c). 

 

 Figure  3‐2.  Series  of  HRTEM  images  of  1‐Bromoadamantane@SWCNT  for 

visualization of  free bromines atoms and carbon structures moving  inside the carbon 

nanotube  (a‐e).  Experimental  (white  box  in  (b)),  simulated  HRTEM  images  and 

atomic model  of  SWCNT with  Br  atom  (f),  (g),  (l).  The  relative  intensity  profiles 

through  the marked  line  for  experimental  and  simulated  images  (h)  and  (k).  (The 

images reproduced in accord with Article IV – see in Appendix) 

Page 81: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

70         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

 

Analysis of  series of HRTEM  images  revealed  that bromine 

atoms migrate  inside  the  tube during recording. Some of  them 

vizualized  as  free‐standing  atoms  or  embedded  in  the  carbon 

structures.  For  proper  contrast  interpretation  of  the  HRTEM 

images,  the simulations were performed  for  filled SWCNT and 

for  free  bromine  atom  into  accordance  the  TEM  optical 

parameters  (Fig.  3‐2g).  The  relative  intensity  profiles  through 

the  marked  line  (red  line)  from  simulated  and  experimental 

images are shown  in Fig. 3‐2  (h)‐(k). Free bromine atom  inside 

SWCNT can be easily identified by high contrast difference due 

to  their  low  atomic  number. Good  agreement  is  observed  for 

experimental and calculated profiles. 

Thus,  it was  shown  that  functionalization  of  SWCNT by  1‐

bromoadamantane leads to formation in inner nanotube carbon 

structure  and  free  standing  bromine  atoms. Other  details  are 

presented in Article IV (see Appendix). 

3.2 STRUCTURE CHARACTERIZATION OF HG2CL2 CRYSTALS LOCATED IN THE INNER CHANNEL OF SWCNT

Another example of functionalized carbon nanotubes studied 

in  this work  is  SWCNT  filled  by mercury  chlorine molecules. 

The  molecules  were  loaded  inside  channels  of  single‐walled 

CNTs  using  melting‐phase  filling  procedure,  which  provide 

larger  encapsulation  yield.  Powders  of  SWCNTs  and  HgCl2 

were  heated  at  temperature  290°  C which  higher  than HgCl2 

melting  temperature by 17° C. The heat  treatment was  carried 

out during 16 hours. 

On  the  first  step  the  control  of  the  filling  results  was 

reformed  by  scanning  transmission  electron  microscopy  and 

EDS techniques. Due to large difference of carbon, mercury and 

chlorine atomic numbers HAADF STEM  image with Z‐contrast 

clearly discriminate filled (bright contrast  inside nanotube) and 

empty  tubes.  Typical  STEM  images  of  the  filled  SWCNTs  are 

presented  in  Fig.  3‐3.  About  80%  of  tubes  were  filled  that 

Page 82: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 3: Atomic arrangement of guest crystal in the inner channel of 

functionalized single‐walled carbon nanotubes 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         71 

indicates good outcome of filling process. Encapsulated crystals 

with  length  varying  from  1  to  150  nm  were  uniformly 

distributed  in  the channels of SWCNTs. Chemical composition 

was determined by EDS analysis. The obtained  spectra  shown 

peaks of mercury, chlorine, carbon, copper and oxygen  (Fig. 3‐

3c).  Copper  signal  is  a  common  artifact  because  used  TEM 

support  grid  is  made  of  copper;  oxygen  is,  most  probably, 

related  to  oxygenation  of  carbon  nanotubes  during  sample 

exposure in air. 

 

 Figure 3‐3. STEM images with various magnification of Hg2Cl2 filled SWCNT (a), (b). 

EDS spectra from filled SWCNT rope (c). 

The  structure  of  mercury  chloride  nanocrystals  was 

evaluated on the base of a set of series of HRTEM images. Two 

distinct  crystal  orientations  were  observed  and  analyzed. 

Diameter  of  SWCNTs  evaluated  by  unfilled  region  of 

corresponding  nanotubes  is  about  Dm=  1.7  nm.  The  {110} 

graphene reflections were used as internal calibration standard. 

Applying  the  Fast  Fourier  Transform  (FFT)  the  2D  lattice 

parameters  of  encapsulated  crystal  and  angles  between 

reciprocal  vectors were measured.  In  Fig.  3‐4  and  Fig.  3‐5  are 

presented  HRTEM  images  with  various  encapsulated  crystal 

orientations.  A  periodicity  of  encapsulated  crystal  d1  was 

determined  to  equal  to  0.271 nm  and d2  =  0.248 nm  (the  ratio 

d1/d2 = 1.09), an angle α = 88°. A periodicity is S1 = 0.269 nm, S2 = 

0.324 nm, the ratio S1/S2 = 0.83, an angle α = 85°. 

Page 83: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

72         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

Experimental  data  were  compared  with  crystallographic 

parameters  for HgCl2  (ICSD  23277)  and Hg2Cl2  (ICSD  65441) 

phases  of  bulk  crystal.  Comparison  of  calculated  diffraction 

patterns  with  experimental  FFTs  shows  the  best  match  for 

Hg2Cl2 phase.  

 

 Figure  3‐4. HRTEM  image  of Hg2Cl2  filled SWCNT  (a).  Interplanar distances  and 

angles  between  reciprocal  vectors  were  evaluated  by  FFT  form  selected  region  of 

nanotube (b). Simulated diffraction patterns for Hg2Cl2 crystal with [100] zone axis (c). 

Comparison of filtered HRTEM image (d) of encapsulated crystal with simulated one 

(e) which calculated in according to proposed atomic model (f). 

 

Crystal orientation was  evaluated  as  [100] Hg2Cl2  zone  axis 

(Fig. 3‐4c) and as [110] Hg2Cl2 zone axis (Fig. 3‐5c).  

The  atomic  model  of  filled  nanotube  was  proposed  in 

accordance  with  the  identified  structure  and  orientations  of 

encapsulated  crystal.  A  fragment  of  (13,  13)  SWCNT  with 

diameter  1.7  nm  corresponded  to  measured  one  from  the 

HRTEM  images was  taken  for simulation. Encapsulated crystal 

is  oriented  [001] Hg2Cl2  direction  along  to  the  long  tube  axis. 

Calculated  HRTEM  images  simulated  according  to  atomic 

models  of  filled  SWCNT  was  in  good  agreement  with 

experimental  images.  Thus,  it  could  be  concluded  that 

Page 84: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 3: Atomic arrangement of guest crystal in the inner channel of 

functionalized single‐walled carbon nanotubes 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         73 

encapsulated  crystal  structure  identified  on  base  of  HRTEM 

data is correct. 

To  summarize, we  observed  that  stochiometry  of mercury 

chloride crystals changes from HgCl2 to Hg2Cl2 during the guest 

molecule  loading  into  the  inner  channel  of  S2WCNTs. 

Encapsulated  crystals  were  oriented  [001]  Hg2Cl2  direction 

parallel  to  nanotube  long  axis.  This  study  provides  new 

information  about  chemistry  inside  the  carbon  nanotubes  and 

synthesis of new functionalized nanocarbon material. 

 

 Figure  3‐5. HRTEM  image  of Hg2Cl2l@SWCNT  (a).  FFT  form  selected  region  of 

nanotube (b). Simulated diffraction patterns for Hg2Cl2 crystal with [110] zone axis (c). 

Comparison of filtered HRTEM image (d) of encapsulated crystal with simulated one 

(e) which calculated in according to proposed atomic model (f). 

3.3 CRYSTAL STRUCTURE OF 1D CUCL@SWCNTS

Functionalization of nanotubes by gas phase filling  is one of 

widely  applied  technique.  During  the  filling  procedure 

treatment of nanotube almost does not damage the structure of 

the media. Gas‐phase approach  leads  to much cleaner SWCNT 

surface  comparing with  a  liquid method  of  filling. This  filling 

method was used for  loading the CuCl molecules  into SWCNT 

Page 85: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

74         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

channel.  It  was  shown  that  this  functionalization  leads  to  a 

significant increase in transmittance of the initial nanotube films. 

We shown that this type of filling allows improvement of optical 

properties of the macroscopic samples of SWCNTs (for instance, 

films) without damaging their crystalline structure. 

Transmission electron microscopy was applied  for  structure 

characterization of  the  film of  filled SWCNTs. TEM analysis of 

the  SWCNT  sample  filled  by  copper  chloride  shown  that 

nanotubes  were  predominantly  bundled  together  into  ropes. 

Estimation of  the yield of  the nanotubes  filling was performed 

by STEM and EDS methods. The CuCl nanocrystals were clearly 

distinguished by HAADF STEM  imaging with Z‐contrast  (Fig. 

3‐6a).  The  EDS  spectra  acquired  from  the  filled  tubes  shown 

peaks  corresponding  to  gold,  copper,  chlorine,  oxygen,  and 

carbon (Fig. 3‐6b). Gold signal in this case is explained by usage of golden TEM support grid. Oxygen was most probably related 

to oxygenation of carbon nanotubes during procedures used for 

opening  of  nanotube  ends. Besides  a  very  low  signal  to  noise 

ratio  the  presence  of  both  of  Cu  and  Cl  in  the  tubes  can  be 

concluded without doubt. 

 

 Figure 3‐6. STEM image of CuCl@SWCNT (a) and EDS spectra (b) from selected on 

(a) area. 

 

Formation  quasi  one‐dimensional  CuCl  crystals  inside  the 

SWCNT  inner  channel  was  revealed  by  HRTEM.  The  {110} 

graphene  reflections  from  SWNTs  was  used  for  precise 

magnification calibration as  internal  standard. The diameter of 

Page 86: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 3: Atomic arrangement of guest crystal in the inner channel of 

functionalized single‐walled carbon nanotubes 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         75 

SWCNTs  was  evaluated  on  unfilled  region  of  nanotubes  as 

Dm=1.7  nm.  Several  crystal  orientations  were  observed  and 

analyzed. The projection of CuCl crystals observed most often in 

the CNT sample is shown at Fig. 3‐7a. The interplanar distances 

and angles between the reciprocal vectors were analyzed using 

fast FFT method (Fig. 3‐7b). The obtained values are: d1=0.33 nm, 

d2=0.33  nm,  α≈60o.  The  interplanar  distances  and  angles  for 

second orientation were determined as  follows: d1=d2=0.19 nm, 

α≈90o (Fig. 3‐7d). 

Experimental  data  were  compared  with  crystallographic 

parameters for known polymorphs of copper chloride. The best 

agreement was achieved for CuCl described by zinc blende type 

structure with cell parameter a = 0.541 nm [142]. Comparison of 

CuCl  interplanar  distances  with  experimental  data  shown  a 

good  agreement  for  [110] CuCl  projection.  The main motif  in 

this  projection  is  similar  to  observed  “open  hexagon”.  But  to 

precise  fitting  to observed data  some  lattice distortions  should 

be supposed. CuCl lattice could be represented by two subcells 

superposition. Due  to  integration  of nanotube wall with CuCl 

subcells,  the ~8% subcell displacement could be assumed. As a 

result,  the  unit  cell  symmetry  is  decreased:  cubic  type  is 

transformed  to  rhombohedral  type.  According  to  this 

assumption  the  atomic  model  of  CuCl  filled  nanotube  was 

proposed  (Fig.  3‐8).  Simulation  of  HRTEM  images  was 

performed for this model. As could be seen from Fig. Fig. 3‐8 the 

rotation  of  encapsulated  crystal  around  long  tube  axis  at  90° 

allows the cubic motif which also was observed experimentally. 

The  coincidence  of  the  experimental  and  calculated  HRTEM 

images  for  two  crystal  orientation  confirm  correctness  of  the 

proposed atomic model.  

To summarize,  the  functionalization of single walled carbon 

nanotube  by  filling  with  CuCl  molecules  leads  to  quasi  1D 

crystal  formation.  Applying  of  HRTEM  techniques  allows  to 

identify the crystal structure of encapsulated crystal. Loading of 

copper chloride molecules into the nanotubes during gas‐phase 

synthesis  leads  to  crystal  lattice  transformation  from  cubic  to 

rhombohedral symmetry types. 

Page 87: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

76         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

Other  details  about  CuCl  functionalized  single  walled 

carbon nanotubes are presented in Article V (see Appendix). 

 

 Figure  3‐7. HRTEM  images  of  encapsulated  1D  CuCl@SWCNT with  two  typical 

orientations are presented in (a), (c) and corresponded Fast Furrier Transformation (b), 

(d). The main motif of atomic arrangement is represent by the models in the middle.    

 

 

Figure  3‐8. Atomic model  of CuCl  filled  SWCNT  viewed  in  two  orientations  and 

simulated HRTEM images. 

 

 

Page 88: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 3: Atomic arrangement of guest crystal in the inner channel of 

functionalized single‐walled carbon nanotubes 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         77 

SUMMARY OF THE CHAPTER 3

The results presented in Chapter shown that high‐resolution 

transmission  electron  microscopy  is  a  powerful  method  for 

carbon  materials  study  on  atomic  level.  It  allows  control  of 

nanotube  filling  process,  structural  peculiarities  of  guest 

molecules  inside  the  tubes  and provides  an  information  about 

structural transformation during synthesis.  

In particular, we found that functionalization of SWCNT by 

1‐bromoadamantane  leads  to  formation  in  inner  volume  of 

nanotube carbon structures with free standing bromine atoms. It 

was  observed  also  that  during  functionalization  of  the 

nanotubes  in gas phase by mercury  chloride molecules  crystal 

with  parameters  of  bulk  one  may  be  obtained.  Loading  the 

molecules  of  copper  chloride  into  the  nanotubes  during  gas‐

phase synthesis may  lead  to crystal  lattice  transformation  from 

cubic to rhombohedral symmetry types. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 89: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

78         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 90: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258            79 

4 The structural 

peculiarities of nano‐ and 

micro‐meter size scale 

diamond crystals 

Diamond  is  one  of  the  most  well‐known  allotropic 

modifications of carbon. It  is widely applied  in  industry due to 

its  exclusive  physical  properties  which  include:  superior 

hardness,  biocompatibility,  high  thermal  conductivity  and 

electrical  resistivity,  chemical  stability,  unique  properties  for 

optical  elements  and  coatings  [1,39,66,143,144].  There  are 

various methods for production of diamond, amongst which the 

best  known  is  detonation  diamonds,  and  crystals  obtained  by 

CVD [66,67]. Depending on the synthesis methods it is possible 

to  control  size  of  the producing  crystals  from nano‐  to micro‐

meter  scale. Nanodiamonds,  for  example,  are widely  used  in 

biomedical and mechanical applications  [145–147]. Variation of 

synthesis  conditions  allows  growth  a  quasi  two‐dimensional 

diamonds and single crystal needles with perfect pyramid shape 

[148]. Fabrication of well‐shaped and defect‐free diamond single 

crystals  and  especially  low‐dimensional  diamonds  (such  as 

nanowires  and  nanoplatelets)  is  very  important  for 

nanotechnology applications [149,150]. 

Revealing  structural  characterization  is  necessary  for 

determination  of  optimal  conditions  providing  fabrication  of 

materials with  desired  properties  and  for  correct  revealing  of 

their physical properties. This chapter is focused on description 

of  study  of  nanodiamonds  structure  and  its  transformations 

under  heat  treatment,  as  well  as  on  revealing  of  structural 

Page 91: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

80         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

peculiarities  of  quasi  two‐dimensional  and micro‐meter  sized 

diamonds crystals. 

4.1 THE TRANSFORMATION OF SP3 TO SP2 C-C BOND IN NANODIAMOND UNDER HEAT TREATMENT

An  example  of  the  structure  transformation  of  the 

nanodiamonds  (ND)  is  formation  of  so‐called  “onion‐like” 

structures.  The  onion‐like  carbon  (OLC)  obtained  their  name 

because of structure resembling concentric layers similar to that 

in onion. OLC structures may be produced by graphitization of 

nanodiamond and revealed potential  for different applications, 

including, for example, in energy storage devices, for composite 

production  and  in  catalysis  [2,151,152]. The  sp2/sp3  composites 

consisting of one or  few nanodiamond cores enveloped with a 

few graphene layers and OLC were produced by a controllable 

graphitization  of  explosive  NDs  in  vacuum  within  the 

temperature range of 1200–2140 K [153]. A transformation of the 

defective  curved  graphene  sheets  into  OLC  structure  occurs 

after a complete transformation of diamond cores. 

Structure of samples was monitored by Raman spectroscopy 

and  by  high  resolution  electron microscopy  techniques  [154–

156]. Nanodiamonds with crystallite size varied from 4 to 12 nm 

were analyzed. For all samples, the pristine nanodiamonds were 

characterized by two peaks  in the Raman spectra. The first one 

is  a  relatively  narrow  and  low  intensity  Raman  band  around 

1325  cm−1  (D‐mode of  sp2‐bonded phase). The  second one  is  a 

broad  and  intense  band  around  1600  cm−1  (G‐mode  of  sp2‐

bonded carbon). While  the annealing  temperature  increases D‐

mode  shifts  towards  high  frequencies,  and  G‐mode  shifts 

towards  low  frequencies.  In  addition,  after  annealing  at 

temperatures  higher  than  1800  K  a  two‐phonon  2D‐mode 

appears. The obtained results were interpreted as modifications 

occurred at different stages of onion‐like structures formation. 

An  example  of  TEM  analysis  of ND  transformation  under 

heat  treatment  is  presented  in  Fig.  4‐1. High  resolution  TEM 

Page 92: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 4: The structural peculiarities of nano‐ and micro‐meter size scale 

diamond crystals 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         81 

image  of  nanodiamonds  before  heat  treatment  procedure  is 

presented in Fig. 4‐1a. Crystals with average size of 4‐5 nm have 

high  atomic  order  which  is  revealed  by  lattice  fringes  of 

enlarged  HRTEM  image  and  by  sharp  rings  on  FFT  pattern 

corresponding to 111 and 220 interplanar distances in diamond 

(Fig. 4‐1a insert). After heat treatment particles possess structure 

of  graphitic  layers  rolled  into  the  onion  structure  (Fig.  4‐1b). 

Distance between  layers  is about 0.33 nm. Small empty hole  in 

central  part  of  the  particles  (see  enlarged  HRTEM)  testifies 

complete transformation of diamond into graphite‐like structure. 

This  fact was  also  confirmed  by  disappearance  of  diffraction 

peaks  in  FFT.  The  schematical  representation  of  ND  crystal 

structure transformation is illustrated in Fig. 4‐1c. Other details 

about  nanodiamonds  characterizations  are  presented  in 

Article VI (see Appendix). 

 

 Figure  4‐1. HRTEM  images  and FFT  of nanodiamond  before  (a)  and  after  (b) heat 

treatment. Schematically representation of sp3 to sp2 transformation (c). 

Page 93: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

82         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

4.2 DIAMOND PLATELETS PRODUCED BY CHEMICAL VAPOR DEPOSITION

Diamond  crystal  characteristics  might  be  controlled  by 

varying  the  CVD  parameters  such  as  substrate  temperature, 

carbon‐containing gas composition and others [66–68]. The most 

usual  is  fabrication of  columnar polycrystalline diamond  films 

consisting of needle‐like crystallites [157,158]. At the same time 

production  of  diamond  crystallites with  other  shapes  remains 

challenging.  This  work  was  dedicated  to  fabrication  of 

hexagonal diamond with nanometer  thickness and with  lateral 

size of few micrometers. The material synthesis was performed 

using  a  direct  current  discharge  plasma  enhanced  chemical 

vapor deposition from hydrogen and methane gas mixture. SEM 

analysis  revealed  that obtained diamond  films were composed 

of several densely packed thin platelets (quasi two‐dimensional 

crystal) with  lateral  size  of  few micrometers  and  thickness  of 

about few tens nanometers (Fig. 4‐2a). TEM analysis of different 

diamond  platelets  revealed  absence  of  significant  structural 

defects  within  the  crystallites,  which  indicates  their  high 

structural  quality.  Characteristics  of  the  registered  diffraction 

pattern  indicate  obvious  six‐fold  rotational  symmetry  of  the 

crystallite  structure. The  interplanar distances  in  this  structure 

were  evaluated  to  be  0.1260 nm proving  that  the platelets  are 

composed  of  stacked  (111)  diamond  plane.  TEM  observations 

reveal  presence  of  structural  traces  caused  by  planar  stacking 

faults  and  twin  boundaries  in  {111}  planes  (see  Fig.  4‐2b,  c). 

Usage  of  the  HRTEM  technique  allows  analysis  the  atomic 

structure  of  twinned  grain  boundary  (see  Fig.  402d).  The 

assumption  that  diamond  platelets  are  composed  by  stacked 

(111) planes is in excellent agreement with previously observed 

nanostructures  with  quasi‐2D  shapes  for  materials  with  face 

centered cubic (FCC) unit cell. On our opinion, the low methane 

concentration  and  relatively  high  temperature  are  the  key 

parameters  which  provide  lateral  growth  and,  as  a  result, 

predominant platelet‐like morphology of the crystallites in CVD 

film. Such conditions highly reduce probability of  formation of 

Page 94: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 4: The structural peculiarities of nano‐ and micro‐meter size scale 

diamond crystals 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         83 

three‐atom  nucleus  on  atomically  smooth  {111}  planes.  In 

combination with  absence of  twinning on  {111} planes  (i.e.  re‐

entrant  corners  in  {111}  area)  it  causes  extremely  low  growth 

rate  in  <111>directions  and  strong  111‐faceting  of  resulting 

crystallites. 

 

 Figure  4‐2.  Typical SEM image (a) and TEM image of cross‐section (b) of the diamond 

platelet.  (c)  Electron  diffraction  pattern  revealed  (111)  twin’s  boundary  at  cross‐

section  of  platelet.    (d) High  resolution  bright  field  TEM  image  showing  the  twin 

boundary atomic structure. The  images reproduced  in accord with Article VII (see 

in Appendix) 

 

The 2D shapes for FCC nanostructures might be described in 

a  framework  of  kinetic  and  thermodynamic  approach  of 

modified  Wulff  constructions  for  twinned  nanoparticles. 

Accordingly,  such  type  of  shapes  can  be  constructed  by 

considering a particle with several  lamellar twins and with fast 

Page 95: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

84         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

{100}  surface  growth  velocities  (i.e.  slow  {111}  growth)  and 

applying kinetic growth enhancements (at twin plane or/and re‐

entrant surfaces). The resulting structure  is also expected  to be 

hexagonal platelet with (111) main plane. 

Thus,  in  our  case  formation  of  the  hexagonal  diamond 

platelets  is,  apparently,  a  result  of  lateral  growth  between 

parallel  planar  stacking  faults  in  {111}  planes  in  combination 

with  extremely  low  growth  velocity  in  <111>  directions.  The 

stacking  faults  appeared  probably  at  initial  stage  of  the 

deposition  process.  The  low  growth  rate  is  because  of  rather 

high  temperature. More  details  are  presented  in  Article  VII 

(see Appendix). 

4.3 STRUCTURAL PECULIARITIES OF SINGLE CRYSTAL DIAMOND NEEDLES OF NANOMETER THICKNESS

Fabrication  of  textured  diamond  films  with  controlled 

crystallographic  orientation  of  individual  crystallites  is  very 

important nowadays because it provides mass production of the 

diamond  needles  with  high  structural  perfection  [159].  Such 

kind of diamond needles are attractive for different application 

including  atomic  force microscopy,  cutting  tools  etc.  [160,161]. 

The  SEM  images  of  diamond  needles  with  shape  of  perfect 

rectangular  pyramids  are  presented  in  Fig.  4‐3a,  b.  These 

diamond needles were produced by chemical vapor deposition 

with  appropriate  adjustment  of  the  process  parameters. 

However,  some  defects  may  occur  during  diamond  films 

fabrication.  The  structural  defects  analysis  was  performed  to 

understand  the  relationship between  fabrication  condition and 

diamond  structural  perfection.  Combination  of  Raman 

spectroscopy  and  transmission  electron microscopy  techniques 

allows revealing and analysis of the crystal defects [82,162]. 

In this work, we applied some CVD techniques modification 

to  find  new  parameters  of  film  growth. During  CVD  process 

nitrogen for a short time was added into gas mixture because it 

is known the nitrogen addition changes the ratio of the growth 

Page 96: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 4: The structural peculiarities of nano‐ and micro‐meter size scale 

diamond crystals 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         85 

rates of  {100} and  {111}  surfaces almost by a  factor of about 4. 

One may  expect  that  the  nitrogen  addition  could  significantly 

increase amount of sp2 carbon. It was revealed in our study that 

Rama  spectra  change  may  be  attributed  to  sp3  type  defects 

appeared  during  synthesis  without  nitrogen  addition.  The 

existence of graphitic carbon (detected by Raman spectroscopy) 

may  indicate growth conditions which are not enough optimal 

for  diamond  formation.  Similar  coexistence  of  diamond  (sp3) 

and  graphitic  (sp2)  carbon  is  often  observed  in CVD diamond 

films. Addition of  1% of nitrogen  into  the gas mixture during 

the growth not only leads to an abrupt and substantial decrease 

in the diameter of the diamond needle, but also causes changes 

in the defect concentration in the growing crystal. 

 

Page 97: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

86         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

 Figure 4‐3. SEM images of a diamond with perfect pyramidal crystallite shape (a, b). 

HRTEM image reveals a multiple twin’s boundaries/stacking faults propagating in the 

crystallites (c). Bright field TEM image of needle apex with variations of the diffraction 

contrast, which  indicate  the presence  of numerous  extended defects  in  this  area  (d). 

The images reproduced in accord with Article VIII (see in Appendix) 

 

Transmission  electron microscopy  provides  an  information 

about  atomic  structure  of  the  needles.  SEM  and  TEM  images 

revealed that lateral surface of the diamond needles is generally 

rougher in comparison with their basal facets (Fig. 4‐3b, d). This 

roughness  is mostly  determined  by  the  oxidation  step  of  the 

fabrication  process.  Thorough  oxidation  results  in  almost  flat 

surface; while insufficient oxidation cycle leaves residuals of the 

Page 98: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Chapter 4: The structural peculiarities of nano‐ and micro‐meter size scale 

diamond crystals 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         87 

dendrite‐like shape crystallites. The needle  itself  is  represented 

by a perfect undisturbed diamond crystal, what is evidenced by 

the  large area  convergent beam  electron diffraction  (LACBED) 

pattern  with  straight  and  sharp  high‐order  Laue‐zone 

diffraction. According  to LACBED  the pyramid base  is  formed 

by {100} plane, and the lateral surfaces are close to {110} planes. 

The  observed  (001)  texture  of  obtained  films  indicates  that 

applied conditions of CVD process provide  the  slowest crystal 

growth  along  ⟨100⟩  crystallographic  direction.  The  fastest growing  direction  at  these  conditions  is  ⟨110⟩  leading  to degeneration of  {110}  facets  into edges between  {100} and  {111} 

facets. 

The dendrites structure is dramatically differ from the rest of 

the  needle  in  crystal  quality—they  acquire  a  high  density  of 

stacking  faults  and  {111}  twins,  thus  creating  a  high 

concentration of planar defects in the near surface region of the 

needles  (Fig.  4‐3c).  The  distance  between  stacking  faults/twin 

boundaries  is  averaged  at  about  5 nm.  Figure  4‐3d  shows  the 

region  of  the  needle  near  the  apex.  The  crystal  here  contains 

much  more  defects,  which  are  visible  as  the  irregularity  of 

thickness fringes. 

Raman  scattering  analysis  reveals  a  few  peculiar  features 

related  to  the  defects  found  in  the  needle.  Incorporation  of 

possible point defects into the volume of growing crystal may be 

explained  on  the  basis  of  detailed molecular modeling  of  the 

diamond growth on {100} surface. By kinetic analysis it may be 

shown,  that  migration  of  CH2  fragments  leads  to  their 

alignment  in  dimers  chain  direction  on  the  reconstructed 

C{100}:H 2 × 1 surface. Aligned CH2 bridges  inevitably contain 

one atom gaps. Thus, even at moderate growth rates, there  is a 

high probability that these monoatomic voids are trapped inside 

the  crystal,  forming  vacancy  type  point  defects. High  growth 

rate  upon  nitrogen  addition  may  be  also  the  reason  for  sp2 

fragments  inclusion  into bulk of  the diamond  crystal  showing 

broad  Raman  lines  in  1500–1600  cm−1  spectral  range.  Further 

details about this structural study is presented in Article VIII 

(see Appendix). 

Page 99: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

88         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

SUMMARY OF THE CHAPTER 4

In  this Chapter,  it was briefly  shown  that  applying various 

synthesis methods diamonds crystals from nano‐ to micro‐mete 

crystal sizes could be grown.  

It was shown that the heat treatment of nanodiamonds leads 

to gradually transformation of carbon‐to‐carbon bonds sp3 to sp2, 

and thus, to carbon onion‐like structure formation. 

Adjustment of CVD process parameters allows  formation of 

quasi  two‐dimensional  hexagonal  diamond  platelets  with 

several micrometers  in  size.  TEM  structure  analysis  revealed 

that platelets are consists of stacked (111) atomic planes. 

It was demonstrated  that needle grown by  optimized CVD 

possess  a  perfect  undisturbed  diamond  crystal  structure.  The 

needles  have  rough  surface which  consist  of  high  density  of 

stacking faults and {111} twins. 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 100: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258            89 

5 Conclusions 

In  this  Thesis,  experimental  analysis  of  structural 

peculiarities  of  various  carbon materials were  presented.  The 

comprehensive  analysis  of  electron  microscopy  methodology 

was  performed.  Corresponding  adjustment  of  spherical 

aberration  corrector  allowed  improvement  of TEM  instrument 

parameters with increase of signal‐to‐noise ratio up to 30%. This 

TEM  tuning  allowed  revealing  of  important  peculiarities  in 

structures of carbon materials, including: 

‐ formation of carbon structures with free‐standing isolated 

Br  atoms  in  1‐bromoadamantane  functionalized  single 

walled carbon nanotubes; 

‐ formation  of  ordered  compounds  of  guest molecules  of 

different  types  inside  single wall  carbon nanotubes  and 

detection their structural transformation during synthesis; 

‐ gradual  transformation  during  heat  treatment  sp3 

carbon‐to‐carbon  bonds  of  nanodiamond  particles  into 

sp2 and formation onion‐like carbon structures formation; 

‐ obtaining  quasi  two‐dimensional  hexagonal  diamond 

platelets  of  micrometer  scale  by  chemical  vapor 

deposition  and  revealing  their  structure  consisting  of 

stacked (111) atomic planes; 

‐ determination  of  structural  characteristics  of  single‐

crystal  diamond  needles  and  elicitation  of  high  density 

stacking  faults  and  {111}  twins  in  these  diamond 

crystallites.   

 

 

 

       

Page 101: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

90         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

                       

Page 102: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258            91 

References 

1.  Pierson H.O. Handbook of Carbon, Graphite, Diamond 

and Fullerenes // Handb. Carbon, Graph. Diam. Fullerenes. 1993. 

P. 25–69. 

2.  Rao  C.N.R.  et  al.  Fullerenes,  nanotubes,  onions  and 

related carbon structures // Materials Science and Engineering R. 

1995. Vol. 15, № 6. P. 209–262. 

3.  Heimann R.B., Evsvukov S.E., Koga Y. Carbon allotropes: 

a  suggested  classification  scheme  based  on  valence  orbital 

hybridization  // Carbon N. Y. 1997. Vol. 35, № 10–11. P. 1654–

1658. 

4.  Suarez‐Martinez I., Grobert N., Ewels C.P. Nomenclature 

of sp 2 carbon nanoforms // Carbon. 2012. Vol. 50, № 3. P. 741–

747. 

5.  Peschel G. Carbon‐carbon  bonds Hybridization  //  Freie 

Univ. Berlin website. 2005. 

6.  Smith P.P., Buseck P.R. Graphitic carbon  in  the Allende 

meteorite: a microstructural  study.  // Science  (80‐.  ). 1981. Vol. 

212, № 4492. P. 322–324. 

7.  Smith P.P., Buseck P.R. Carbyne forms of carbon: do they 

exist? // Science. 1982. Vol. 216, № 4549. P. 984–986. 

8.  Novoselov  K.S.  et  al.  Electric  field  effect  in  atomically 

thin carbon films. // Science. 2004. Vol. 306, № 5696. P. 666–669. 

9.  Geim A.K., Novoselov K.S. The rise of graphene  // Nat. 

Mater. 2007. Vol. 6, № 3. P. 183–191. 

10.  Eizenberg  M.,  Blakely  J.M.  Carbon  monolayer  phase 

condensation on Ni(111) // Surf. Sci. 1979. Vol. 82, № 1. P. 228–

236. 

11.  Isett L.C., Blakely J.M. Segregation isosteres for carbon at 

the (100) surface of nickel // Surf. Sci. 1976. Vol. 58, № 2. P. 397–

414. 

12.  J. C. Meyer  et  al. The  structure of  suspended graphene 

sheets // Nature. 2007. Vol. 446, № 1. P. 60–63. 

Page 103: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

92         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

13.  Carlsson  J.M. Graphene: Buckle or break  // Nat. Mater. 

2007. Vol. 6, № 11. P. 801–802. 

14.  Geim A.K., Novoselov K.S. The rise of graphene  // Nat. 

Mater. 2007. Vol. 6, № 3. P. 183–191. 

15.  Fasolino   a, Los  J.H., Katsnelson M.I. Intrinsic ripples  in 

graphene // Nat. Mater. 2007. Vol. 6, № 11. P. 858–861. 

16.  Wyckoff R.W.G. Crystal  Structures.  2nd  ed. New York: 

Interscience, 1964. 

17.  Gray D., Mccaughan A., Mookerji B. Crystal Structure of 

Graphite , Graphene and Silicon // Phys. Solid State Appl. 2009. 

Vol. 2. P. 3–5. 

18.  International Tables for Crystallography. 2nd Editio / ed. 

Wondratschek H., Muller U. New York: Wiley, 2006. 6078 p. 

19.  Kopelevich  Y.,  Esquinazi  P.  Graphene  Physics  in 

Graphite // Adv. Mater. 2007. Vol. 19. P. 9. 

20.  Chung D.D.L. Review: Graphite  //  Journal  of Materials 

Science. 2002. Vol. 37, № 8. P. 1475–1489. 

21.  Popov  V.N.  Carbon  nanotubes:  Properties  and 

application  //  Materials  Science  and  Engineering  R:  Reports. 

2004. Vol. 43, № 3. P. 61–102. 

22.  Monthioux  M.  Introduction  to  Carbon  Nanotubes  // 

Carbon Meta‐Nanotubes: Synthesis, Properties and Applications. 

2011. P. 7–39. 

23.  Sinclair  J.  An  Introduction  to  Carbon  Nanotubes  // 

Carbon Nanotubes. 2009. P. 1–8. 

24.  Murakami  Y.  et  al.  Direct  synthesis  of  high‐quality 

single‐walled carbon nanotubes on silicon and quartz substrates 

// Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 377, № 1–2. P. 49–54. 

25.  Thostenson  E.T.,  Ren  Z.,  Chou  T.‐W.  Advances  in  the 

science  and  technology  of  carbon  nanotubes  and  their 

composites: a review  // Compos. Sci. Technol. 2001. Vol. 61, № 

13. P. 1899–1912. 

26.  Sun  Y.P.  et  al.  Functionalized  carbon  nanotubes: 

Properties and applications // Acc. Chem. Res. 2002. Vol. 35, № 

12. P. 1096–1104. 

27.  Darwish  A.D.  Fullerenes  //  Annu.  Reports  Sect.  “A” 

(Inorganic Chem. 2012. Vol. 108. P. 464. 

Page 104: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

References 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         93 

28.  Birkett  P.R.  Fullerenes  //  Annu.  Reports  Sect.  “A” 

(Inorganic Chem. 2006. Vol. 102. P. 420. 

29.  Howard  J.B.  et al. Fullerenes C60 and C70  in  flames.  // 

Nature. 1991. Vol. 352, № 6331. P. 139–141. 

30.  Li C.‐Z., Yip H.‐L.,  Jen A.K.‐Y. Functional  fullerenes  for 

organic photovoltaics // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22, № 10. P. 

4161. 

31.  Chuvilin A.  et  al. Direct  transformation  of graphene  to 

fullerene // Nat. Chem. 2010. Vol. 2, № 6. P. 450–453. 

32.  Banhart F., Kotakoski J., Krasheninnikov A. V. Structural 

defects in graphene // ACS Nano. 2011. Vol. 5, № 1. P. 26–41. 

33.  Schniepp  H.C.  et  al.  Functionalized  single  graphene 

sheets derived from splitting graphite oxide // J. Phys. Chem. B. 

2006. Vol. 110, № 17. P. 8535–8539. 

34.  Ramanathan T. et al. Functionalized graphene sheets for 

polymer nanocomposites // Nat. Nanotechnol. 2008. Vol. 3, № 6. 

P. 327–331. 

35.  Wei  W.,  Qu  X.  Extraordinary  physical  properties  of 

functionalized graphene  //  Small.  2012. Vol.  8, №  14. P.  2138–

2151. 

36.  Song M., Cai D. Graphene Functionalization: A Review // 

Polymer‐ Graphene Nanocomposites. 2012. Vol. 26, № 26. 1‐51 p. 

37.  Burkhard  G.  et  al.  Formation  of  Cubic  Carbon  by 

Dynamic Shock Compression of a Diamond/Amorphous Carbon 

Powder Mixture  //  Jpn.  J. Appl.  Phys.  1994. Vol.  33, №  10.  P. 

5875–5885. 

38.  Edwards D.F.,  Philipp H.R. Cubic  carbon  (diamond)  // 

Handbook of Optical Constants of Solids. 2012. Vol. 1. P. 665–

673. 

39.  Bundy  F.P.  Hexagonal  Diamond—A  New  Form  of 

Carbon // J. Chem. Phys. 1967. Vol. 46, № 9. P. 3437. 

40.  Chiem  C.  et  al.  Lonsdaleite  diamond  growth  on 

reconstructed Si (100) by hot‐filament chemical vapor deposition 

(HFCVD)  // Korean  J. Chem. Eng. 2003. Vol. 20, № 6. P. 1154–

1157. 

Page 105: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

94         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

41.  Brown  G.  et  al.  Electron  beam  induced  in  situ 

clusterisation  of  1D  ZrCl4  chains within  single‐walled  carbon 

nanotubes // Chem. Commun. 2001. № 9. P. 845–846. 

42.  Sceats E.L., Green  J.C., Reich S. Theoretical study of  the 

molecular  and  electronic  structure  of  one‐dimensional  crystals 

of potassium  iodide and composites  formed upon  intercalation 

in  single‐walled  carbon  nanotubes  //  Phys. Rev.  B  ‐ Condens. 

Matter Mater. Phys. 2006. Vol. 73, № 12. 

43.  Ajayan  P.M.,  Iijima  S.  Capillarity‐induced  filling  of 

carbon nanotubes // Nature. 1993. Vol. 361, № 6410. P. 333–334. 

44.  Chaturvedi P. et al. Carbon nanotube  ‐ Purification and 

sorting protocols // Def. Sci. J. 2008. Vol. 58, № 5. P. 591–599. 

45.  Rahman M.M. et al. Electric and magnetic properties of 

Co‐filled carbon nanotube // J. Phys. Soc. Japan. 2005. Vol. 74, № 

2. P. 742–745. 

46.  Sloan  J.  et  al.  The  size  distribution,  imaging  and 

obstructing  properties  of  C60  and  higher  fullerenes  formed 

within arc‐grown single walled carbon nanotubes // Chem. Phys. 

Lett. 2000. Vol. 316, № January. P. 191. 

47.  Eliseev A. a  et al. Preparation and properties of  single‐

walled  nanotubes  filled  with  inorganic  compounds  //  Russ. 

Chem. Rev. 2009. Vol. 78, № 9. P. 833–854. 

48.  Hall  T.  Ultrahigh‐Pressure  Research  //  Science  (80‐.  ). 

1958. Vol. 128, № 3322. P. 445–449. 

49.  Merlen  A.  et  al.  High  pressure‐high  temperature 

synthesis  of  diamond  from  single‐wall  pristine  and  iodine 

doped carbon nanotube bundles  // Carbon N. Y. 2009. Vol. 47, 

№ 7. P. 1643–1651. 

50.  Kawasaki  S.  et  al.  Hardness  of  high‐pressure  high‐

temperature  treated  single‐walled  carbon nanotubes  // Phys. B 

Condens. Matter. 2007. Vol. 388, № 1–2. P. 59–62. 

51.  Epanchintsev  O.G.  et  al.  Highly‐efficient  shock‐wave 

diamond synthesis from fullerenes // J. Phys. Chem. Solids. 1997. 

Vol. 58, № 11. P. 1785–1788. 

52.  Kenkmann T., Hornemann U.,  Stoffler D. Experimental 

shock  synthesis  of  diamonds  in  a  graphite  gneiss  // Meteorit. 

Planet. Sci. 2005. Vol. 40, № 9–10. P. 1299–1310. 

Page 106: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

References 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         95 

53. Greiner N.R. et al. Diamonds in detonation soot // Nature. 

1988. Vol. 333, № 6172. P. 440–442. 

54.  Danilenko  V.  V.  Specific  features  of  synthesis  of 

detonation  nanodiamonds  //  Combust.  Explos.  Shock Waves. 

2005. Vol. 41, № 5. P. 577–588. 

55.  Churilov  G.N.  Synthesis  of  Fullerenes  and  Other 

Nanomaterials in Arc Discharge // Fullerenes, Nanotub. Carbon 

Nanostructures. 2008. Vol. 16, № 5–6. P. 395–403. 

56.  Subrahmanyam K.S.  et  al.  Simple method  of preparing 

graphene flakes by an arc‐discharge method // J. Phys. Chem. C. 

2009. Vol. 113, № 11. P. 4257–4259. 

57.  Ando  Y.,  Zhao  X.  Synthesis  of  Carbon  Nanotubes  by 

Arc‐Discharge Method  // New Diam. Forntier Carbon Technol. 

2006. Vol. 16, № 3. P. 123–137. 

58.  Antisari M.V., Marazzi  R., Krsmanovic  R.  Synthesis  of 

multiwall  carbon nanotubes by  electric  arc discharge  in  liquid 

environments // Carbon N. Y. 2003. Vol. 41, № 12. P. 2393–2401. 

59.  Arora N., Sharma N.N. Arc discharge synthesis of carbon 

nanotubes:  Comprehensive  review  //  Diamond  and  Related 

Materials. 2014. Vol. 50. P. 135–150. 

60.  Amans D. et al. Nanodiamond synthesis by pulsed laser 

ablation in liquids // Diam. Relat. Mater. 2009. Vol. 18, № 2–3. P. 

177–180. 

61.  Thongpool  V.,  Asanithi  P.,  Limsuwan  P.  Synthesis  of 

carbon  particles  using  laser  ablation  in  ethanol  //  Procedia 

Engineering. 2012. Vol. 32. P. 1054–1060. 

62.  Shibagaki K. et al. Synthesis of heavy carbon clusters by 

laser ablation in vacuum // Japanese J. Appl. Physics, Part 2 Lett. 

2001. Vol. 40, № 8 B. 

63.  Chen C., Chen W., Zhang Y. Synthesis of  carbon nano‐

tubes by pulsed laser ablation at normal pressure in metal nano‐

sol // Phys. E Low‐Dimensional Syst. Nanostructures. 2005. Vol. 

28, № 2. P. 121–127. 

64.  HORNBOSTEL  B.  et  al.  Arc  Discharge  and  Laser 

Ablation Synthesis of Singlewalled Carbon Nanotubes // Carbon 

Nanotub. 2006. Vol. 1. P. 1–18. 

Page 107: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

96         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

65.  Carvalho  A.F.  et  al.  Simultaneous  CVD  synthesis  of 

graphene‐diamond hybrid films // Carbon N. Y. 2016. Vol. 98. P. 

99–105. 

66.  Gicquel A.  et  al. CVD diamond  films:  From  growth  to 

applications // Curr. Appl. Phys. 2001. Vol. 1, № 6. P. 479–496. 

67.  Schwarz S. et al. CVD‐diamond single‐crystal growth // J. 

Cryst. Growth. 2004. Vol. 271, № 3–4. P. 425–434. 

68.  Gracio J.J., Fan Q.H., Madaleno J.C. Diamond growth by 

chemical vapour deposition // J. Phys. D. Appl. Phys. 2010. Vol. 

43, № 37. P. 374017. 

69.  Muñoz  R.,  Gómez‐Aleixandre  C.  Review  of  CVD 

synthesis of graphene // Chemical Vapor Deposition. 2013. Vol. 

19, № 10–12. P. 297–322. 

70.  Zheng B., Li Y., Liu J. CVD synthesis and purification of 

single‐walled carbon nanotubes on aerogel‐supported catalyst // 

Appl. Phys. A Mater. Sci. Process. 2002. Vol. 74, № 3. P. 345–348. 

71.  Kuwana K., Saito K. Modeling CVD synthesis of carbon 

nanotubes: Nanoparticle formation from ferrocene // Carbon N. 

Y. 2005. Vol. 43, № 10. P. 2088–2095. 

72.  Hsin  Y.L.  et  al.  Production  and  in‐situ metal  filling  of 

carbon nanotubes in water // Adv. Mater. 2001. Vol. 13, № 11. P. 

830–833. 

73.  Gately  R.D.,  In  het  Panhuis  M.  Filling  of  carbon 

nanotubes  and  nanofibres  //  Beilstein  Journal  of 

Nanotechnology. 2015. Vol. 6, № 1. P. 508–516. 

74.  Tsang S.C. et al. A  simple  chemical method of opening 

and filling carbon nanotubes // Nature. 1994. Vol. 372, № 6502. P. 

159–162. 

75.  Chancolon  J.  et  al.  Filling  of  carbon  nanotubes  with 

selenium  by  vapor  phase  process.  //  J. Nanosci. Nanotechnol. 

2006. Vol. 6, № 1. P. 82–86. 

76.  Fedotov  P. V.  et  al. Optical  properties  of  single‐walled 

carbon  nanotubes  filled with  CuCl  by  gas‐phase  technique  // 

Phys. Status Solidi Basic Res. 2014. Vol. 251, № 12. P. 2466–2470. 

77.  Monthioux M., Flahaut E., Cleuziou  J.‐P. Hybrid carbon 

nanotubes: Strategy, progress, and perspectives // J. Mater. Res. 

2006. Vol. 21, № 11. P. 2774–2793. 

Page 108: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

References 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         97 

78.  Sloan J. et al. Structural changes induced in nanocrystals 

of  binary  compounds  confined  within  single  walled  carbon 

nanotubes: A brief review // Inorganica Chimica Acta. 2002. Vol. 

330, № 1. P. 1–12. 

79.  Kuzmany H. et al. Raman spectroscopy of fullerenes and 

fullerene‐nanotube composites.  // Philos. Trans. A. Math. Phys. 

Eng. Sci. 2004. Vol. 362, № 1824. P. 2375–2406. 

80.  Dresselhaus, M.S., Dresselhaus, G., Eklund P.C. Raman 

Scattering  in  Fullerenes  //  J.  Phys.  Chem.  1996.  Vol.  27,  № 

October 1995. P. 351–371. 

81.  Dresselhaus M.S. et al. Perspectives on carbon nanotubes 

and graphene Raman spectroscopy // Nano Letters. 2010. Vol. 10, 

№ 3. P. 751–758. 

82.  Pimenta M.A. et al. Studying disorder in graphite‐based 

systems  by  Raman  spectroscopy  //  Phys.  Chem.  Chem.  Phys. 

2007. Vol. 9, № 11. P. 1276–1291. 

83.  Li Z.Q.  et  al. X‐ray diffraction patterns of graphite  and 

turbostratic carbon // Carbon N. Y. 2007. Vol. 45, № 8. P. 1686–

1695. 

84.  Reznik D.  et  al.  X‐ray  powder  diffraction  from  carbon 

nanotubes and nanoparticles // Phys. Rev. B. 1995. Vol. 52, № 1. 

P. 116–124. 

85.  Tomita S. et al. Diamond nanoparticles to carbon onions 

transformation: X‐ray diffraction  studies  // Carbon N. Y.  2002. 

Vol. 40, № 9. P. 1469–1474. 

86.  Cuesta  A.  et  al.  Comparative  performance  of  X‐ray 

diffraction and Raman microprobe  techniques  for  the  study of 

carbon materials // J. Mater. Chem. 1998. Vol. 8. P. 2875–2879. 

87.  Van Tendeloo G., Amelinckx  S. Electron Microscopy of 

Fullerenes  and  Related  Materials  //  Characterization  of 

Nanophase Materials. 2001. Vol. 1. 353‐393 p. 

88.  Magni S. et al. FIB/SEM characterization of carbon‐based 

fibers // Scanning. 2007. Vol. 29, № 4. P. 185–195. 

89.  Wunderlich  W.,  Foitzik  A.H.,  Heuer  A.H.  On  the 

quantitative  EDS  analysis  of  low  carbon  concentrations  in 

analytical TEM // Ultramicroscopy. 1993. Vol. 49, № 1–4. P. 220–

224. 

Page 109: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

98         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

90.  University  of  California  Riverside.  Introduction  to 

Energy Dispersive X‐ray Spectrometry (EDS) // Cent. Facil. Adv. 

Microsc. Microanal. 2011. P. 1–12. 

91.  Newbury  D.E.,  Ritchie  N.W.M.  Elemental mapping  of 

microstructures  by  scanning  electron  microscopy‐energy 

dispersive  X‐ray  spectrometry  (SEM‐EDS):  extraordinary 

advances with  the  silicon  drift  detector  (SDD)  //  J.  Anal.  At. 

Spectrom. 2013. Vol. 28, № 7. P. 973–988. 

92.  Newbury  D.E.,  Ritchie  N.W.M.  Is  scanning  electron 

microscopy/energy  dispersive  X‐ray  spectrometry  (SEM/EDS) 

quantitative? // Scanning. 2013. Vol. 35, № 3. P. 141–168. 

93.  Yoshizawa  N.  et  al.  TEM  and  electron  tomography 

studies of carbon nanospheres for lithium secondary batteries // 

Carbon N. Y. 2006. Vol. 44, № 12. P. 2558–2564. 

94.  Meyer  J.C.  Transmission  electron microscopy  (TEM)  of 

graphene // Graphene. 2014. P. 101–123. 

95.  Sinclair R., Itoh T., Chin R. In Situ TEM Studies of Metal‐

Carbon Reactions // Microscopy and Microanalysis. 2002. Vol. 8, 

№ 4. P. 288–304. 

96.  Safarova K., Drovak   a, Kubinek R. Usage of AFM, SEM 

and TEM for the research of carbon nanotubes // Mod. Res. Educ. 

Top. Microsc. 2007. P. 513–519. 

97.  Zhang B., Su D.S. Transmission electron microscopy and 

the science of carbon nanomaterials // Small. 2014. Vol. 10, № 2. 

P. 222–229. 

98.  Yehliu K., Vander Wal R.L., Boehman A.L. Development 

of  an  HRTEM  image  analysis  method  to  quantify  carbon 

nanostructure  // Combust. Flame. 2011. Vol. 158, № 9. P. 1837–

1851. 

99.  Vander Wal R.L.  et  al. Analysis  of HRTEM  images  for 

carbon nanostructure quantification // J. Nanoparticle Res. 2004. 

Vol. 6, № 6. P. 555–568. 

100. Kuwahara  S.,  Sugai  T.,  Shinohara  H.  A  new  AFM‐

HRTEM  combined  technique  for  probing  isolated  carbon 

nanotubes. // Nanotechnology. 2009. Vol. 20, № 22. P. 225702. 

101. Williams  D.,  Carter  C.  The  transmission  electron 

microscope. 1996. 

Page 110: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

References 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         99 

102. Pfaff M. et al. Low‐energy electron scattering  in carbon‐

based  materials  analyzed  by  scanning  transmission  electron 

microscopy  and  its  application  to  sample  thickness 

determination // J. Microsc. 2011. Vol. 243, № 1. P. 31–39. 

103. Song  F.Q.  et  al.  Free‐standing  graphene  by  scanning 

transmission electron microscopy // Ultramicroscopy. 2010. Vol. 

110, № 12. P. 1460–1464. 

104. Sourty E.  et  al. High‐angle  annular dark  field  scanning 

transmission  electron  microscopy  on  carbon‐based  functional 

polymer  systems.  // Microsc. Microanal. 2009. Vol. 15, № 3. P. 

251–258. 

105. Bachtold  a et al. Scanned probe microscopy of electronic 

transport  in carbon nanotubes. // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84, 

№ 26. P. 6082–6085. 

106. de Broglie L. A  tentative  theory of  light quanta  // Phil. 

Mag. 1924. Vol. 47. P. 446–458. 

107. Bragg W. The diffraction of short electromagnetic waves 

by a crystal // Proc. Camb. Philol. Soc. 1913. Vol. 17. P. 43–57. 

108. Stadelmann  P.  JEMS  electron  microscopy  simulation 

software. 2004. 

109. Scherzer O. Uber  einige  Fehler  von  Elektronenlinsen  // 

Zeitschrift fur Phys. 1936. Vol. 101, № 9–10. P. 593–603. 

110. Brandon  D.,  Kaplan  W.D.  Microstructural 

Characterization of Materials // Microstructural Characterization 

of Materials. 2nd Editio. England: John Wiley & Sons Ltd, 2008. 

536 p. 

111. Shindo D., Oikawa T. Analytical Electron Microscopy for 

Materials Science. Japan: Springer Japan, 2002. 161 p. 

112. Scherzer O. Spharische und chromatische Korrektur von 

Elektronenlinsen // Optik (Stuttg). 1947. Vol. 2. P. 114–132. 

113. Rose H. Outline of a spherically corrected semiaplanatic 

medium‐voltage  transmission  electron  microscope  //  Optik 

(Stuttg). 1990. Vol. 85. P. 19–24. 

114. Krivanek O.L. et al. Aberration correction in the STEM // 

Inst. Phys. Conf. Ser. EMAG97. 1997. Vol. 153, № Section 2. P. 

35–40. 

Page 111: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

100         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

115. Thon  F.  Zur  Defokussierungsabhängigkeit  des 

Phasenkontrastes bei der elektronmikroskopischen Abbildung // 

Z. Naturforsch. 1966. Vol. 21a. P. 476–478. 

116. Krivanek O.L. A method  for determining  the coefficient 

of  spherical  aberration  from  a  single  electron  micrograph  // 

Optik (Stuttg). 1976. Vol. 45, № 1. P. 97–101. 

117. Zemlin F. et al. Coma‐free alignment of high  resolution 

electron microscopes with  the  aid  of  optical  diffractograms  // 

Ultramicroscopy. 1978. Vol. 3, № C. P. 49–60. 

118. Sidorov M.V. CtfExplorer software. 2002. 

119. Krivanek O.L., Mooney  P.E. Applications  of  slow‐scan 

CCD  cameras  in  transmission  electron  microscopy  // 

Ultramicroscopy. 1993. Vol. 49, № 1–4. P. 95–108. 

120. Stenkamp D. Detection  and  quantitative  assessment  of 

image aberrations  from single HRTEM  lattice  images //  Journal 

of Microscopy. 1998. Vol. 190, № 1–2. P. 194–203. 

121. Uhlemann  S., Haider M.  Residual wave  aberrations  in 

the  first  spherical  aberration  corrected  transmission  electron 

microscope // Ultramicroscopy. 1998. Vol. 72, № 3–4. P. 109–119. 

122. Erni  R.  Aberration‐Corrected  Imaging  in  Transmission 

Electron Microscopy. London: Imperial College Press, 2010. 335 

p. 

123. Lee Z. et al. Electron dose dependence of signal‐to‐noise 

ratio,  atom  contrast  and  resolution  in  transmission  electron 

microscope images // Ultramicroscopy. 2014. Vol. 145. P. 3–12. 

124. Rose H.  Theoretical  aspects  of  image  formation  in  the 

aberration‐corrected  electron  microscope  //  Ultramicroscopy. 

2010. Vol. 110, № 5. P. 488–499. 

125. Haider M. et al. Information transfer in a TEM corrected 

for  spherical  and  chromatic  aberration.  // Microsc. Microanal. 

2010. Vol. 16. P. 393–408. 

126. Haider M.,  Uhlemann  S.,  Zach  J. Upper  limits  for  the 

residual  aberrations  of  a  high‐resolution  aberration‐corrected 

STEM // Ultramicroscopy. 2000. Vol. 81, № 3–4. P. 163–175. 

127. Chang  L.Y.,  Kirkland  A.I.,  Titchmarsh  J.M.  On  the 

importance  of  fifth‐order  spherical  aberration  for  a  fully 

Page 112: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

References 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         101 

corrected electron microscope // Ultramicroscopy. 2006. Vol. 106, 

№ 4–5. P. 301–306. 

128. Lupini  A.R.,  Pennycook  S.J.  Tuning  Fifth‐Order 

Aberrations  in  a  Quadrupole‐Octupole  Corrector  //  Microsc. 

Microanal. 2012. Vol. 18, № 4. P. 699–704. 

129. Benard Y., Lopez‐Gil N., Legras R.  Subjective depth  of 

field  in  presence  of  4th‐order  and  6th‐order Zernike  spherical 

aberration using adaptive optics technology // J. Cataract Refract. 

Surg. 2010. Vol. 36, № 12. P. 2129–2138. 

130. Urban  K.W.  et  al.  Negative  spherical  aberration 

ultrahigh‐resolution  imaging  in corrected  transmission electron 

microscopy. // Philos. Trans. A. Math. Phys. Eng. Sci. 2009. Vol. 

367, № 1903. P. 3735–3753. 

131. Jia C.L.  et  al. On  the  benefit  of  the  negative‐spherical‐

aberration  imaging  technique  for  quantitative  HRTEM  // 

Ultramicroscopy. 2010. Vol. 110, № 5. P. 500–505. 

132. Wei  D.  et  al.  Ultrathin  rechargeable  all‐solid‐state 

batteries  based  on monolayer  graphene  //  J. Mater. Chem. A. 

2013. Vol. 1, № 9. P. 3177–3181. 

133. Barthel  J.,  Thust  A.  Quantification  of  the  information 

limit  of  transmission  electron microscopes  //  Phys.  Rev.  Lett. 

2008. Vol. 101, № 20. 

134. Lee Z. et al. Optimum HRTEM  image contrast at 20 kV 

and 80 kV‐‐exemplified by graphene.  // Ultramicroscopy. 2012. 

Vol. 112, № 1. P. 39–46. 

135. Tonkikh A.A.  et  al. Metallization  of  single‐wall  carbon 

nanotube  thin  films  induced by gas phase  iodination  // Carbon 

N. Y. 2015. Vol. 94. P. 768–774. 

136. Janas  D.  et  al.  Iodine  monochloride  as  a  powerful 

enhancer of electrical conductivity of carbon nanotube wires  // 

Carbon N. Y. 2014. Vol. 73. P. 225–233. 

137. Tonkikh A.A. et al. Optical spectroscopy of iodine‐doped 

single‐wall  carbon  nanotubes  of  different  diameter  //  Phys. 

Status Solidi Basic Res. 2012. Vol. 249, № 12. P. 2454–2459. 

138. Bendiab  N.  et  al.  Structural  determination  of  iodine 

localization  in  single‐walled  carbon  nanotube  bundles  by 

Page 113: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

102         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

diffraction  methods  //  Phys.  Rev.  B.  2004.  Vol.  69,  №  19.  P. 

195415. 

139. Guan L. et al. Polymorphic structures of iodine and their 

phase transition in confined nanospace // Nano Lett. 2007. Vol. 7, 

№ 6. P. 1532–1535. 

140. Alvarez L. et al. High‐pressure behavior of polyiodides 

confined into single‐walled carbon nanotubes: A Raman study // 

Phys. Rev. B ‐ Condens. Matter Mater. Phys. 2010. Vol. 82, № 20. 

141. Kotaka  Y.,  Yamazaki  T.,  Kataoka  Y.  Atomic‐resolution 

imaging  and  analysis with  cs‐corrected  scanning  transmission 

electron microscopy // Fujitsu Sci. Tech. J. 2010. Vol. 46, № 3. P. 

249–256. 

142. Wilson  R.H.,  Kasper  J.S.  Golden  Book  of  Phase 

Transitions. Wroclaw, 2002. 123 p. 

143. Zaitsev  A.M.  Optical  Properties  of  Diamond  //  Book. 

2001. P. 502. 

144. Robertson J. Properties of diamond‐like carbon // Surface 

and Coatings Technology. 1992. Vol. 50, № 3. P. 185–203. 

145. Kong  X.,  Cheng  P.  Application  of  Nanodiamonds  in 

Biomolecular Mass Spectrometry // Materials (Basel). 2010. Vol. 

3, № 3. P. 1845–1862. 

146. Passeri  D.  et  al.  Biomedical  Applications  of 

Nanodiamonds: An Overview // J. Nanosci. Nanotechnol. 2015. 

Vol. 15, № 2. P. 972–988. 

147. Dolmatov  V.Y.  Detonation‐synthesis  nanodiamonds: 

synthesis, structure, properties and applications  // Russ. Chem. 

Rev. 2007. Vol. 76, № 4. P. 339–360. 

148. Obraztsov  A.N.  et  al.  Production  of  single  crystal 

diamond needles by a combination of CVD growth and thermal 

oxidation  // Diam. Relat. Mater.  2009. Vol.  18, №  10. P.  1289–

1293. 

149. Aharonovich I. et al. Bottom‐up engineering of diamond 

micro‐ and nano‐structures // Laser Photon. Rev. 2013. Vol. 7, № 

5. P. L61–L65. 

150. Aharonovich I., Neu E. Diamond nanophotonics // Adv. 

Opt. Mater. 2014. Vol. 2. P. 911–928. 

Page 114: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

References 

Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258         103 

151. Su D. et al. Oxidative dehydrogenation of ethylbenzene 

to styrene over ultra‐dispersed diamond and onion‐like carbon 

// Carbon N. Y. 2007. Vol. 45, № 11. P. 2145–2151. 

152. Pech  D.  et  al.  Ultrahigh‐power  micrometre‐sized 

supercapacitors based on onion‐like carbon // Nat. Nanotechnol. 

2010. Vol. 5. P. 651–654. 

153. Kuznetsov  V.  et  al.  Controllable  electromagnetic 

response of onion‐like carbon based materials  // Physica Status 

Solidi (B) Basic Research. 2008. Vol. 245, № 10. P. 2051–2054. 

154. Rao,  A.M.;  Richter,  E.;  Bandow,  S.;  Chase,  B.;  Eklund, 

P.C.; Williams, K.A.;  Fang,  S.;  Subbaswamy, K.R.; Menon, M.; 

Thess,  A.;  Smalley,  R.E.;  Dresselhaus,  G.;  Dresselhaus  M.S. 

Diameter‐selective Raman scattering  from vibrational modes  in 

carbon nanotubes // Science (80‐. ). 1997. Vol. 275, № January. P. 

187–191. 

155. Rao A.M.  et  al.  Evidence  for  charge  transfer  in  doped 

carbon nanotube bundles from Raman scattering // Nature. 1997. 

Vol. 388, № 6639. P. 257–259. 

156. Pfeiffer  R.  et  al.  Evidence  for  trans‐polyacetylene  in 

nano‐crystalline diamond films // Diam. Relat. Mater. 2003. Vol. 

12, № 3–7. P. 268–271. 

157. Zolotukhin A. et al. Thermal oxidation of CVD diamond 

// Diam. Relat. Mater. 2010. Vol. 19, № 7–9. P. 1007–1011. 

158. Zolotukhin  A.A.  et  al.  Single‐crystal  diamond 

microneedles shaped at growth stage // Diam. Relat. Mater. 2014. 

Vol. 42. P. 15–20. 

159. Ding  M.Q.,  Li  L.,  Feng  J.  A  study  of  high‐quality 

freestanding diamond films grown by MPCVD // Appl. Surf. Sci. 

2012. Vol. 258, № 16. P. 5987–5991. 

160. Obraztsov  A.N.  et  al.  Single  crystal  diamond  tips  for 

scanning probe microscopy.  // Rev. Sci.  Instrum. 2010. Vol. 81, 

№ 1. P. 13703. 

161. Tuyakova  F.T., Obraztsova E.A.,  Ismagilov R.R.  Single‐

crystal diamond pyramids: synthesis and application for atomic 

force microscopy // J. Nanophot. 2016. Vol. 10, № 1. P. 12517. 

Page 115: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

Andrey Orekhov: Electron Microscopy Study of Structural Peculiarities of 

Carbon Materials 

104         Dissertations in Forestry and Natural Sciences Number 258 

162. Knight  D.S., White W.B.  Characterization  of  diamond 

films by Raman spectroscopy // J. Mater. Res. 1989. Vol. 4, № 2. 

P. 385–393. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 116: Dissertations in Forestry and Natural Sciences

uef.fi

PUBLICATIONS OF THE UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND

Dissertations in Forestry and Natural Sciences

ISBN 978-952-61-2381-3ISSN 1798-5668

Dissertations in Forestry and Natural Sciences

DIS

SE

RT

AT

ION

S | A

ND

RE

Y O

RE

KH

OV

| EL

EC

TR

ON

MIC

RO

SC

OP

Y S

TU

DY

OF

ST

RU

CT

UR

AL

... | No

258

ANDREY OREKHOV

ELECTRON MICROSCOPY STUDY OF STRUCTURALPECULIARITIES OF CARBON MATERIALS

PUBLICATIONS OF THE UNIVERSITY OF EASTERN FINLAND

This work presents results of high resolution transmission electron microscopy analysis

of structural peculiarities of some of nanocarbons materials forms. It was

performed the optimization of optical system of aberration corrected transmission electron

microscope to increase of the signal-to-noise ratio. The optimized TEM instruments

were used in this work for structural characterization of the nanodiamonds, two-

dimensional (2D) structures and needle-like diamonds, onion-like nanocarbons and other graphene-based structures, including

composites consisting of linear (1D) CuCl and Hg2Cl2 crystals encapsulated in single-walled carbon nanotubes. Obtained results allowed

appropriate development of production processes for these carbon nanostructures and

understanding of their physical properties.

ANDREY OREKHOV