Abstract Recent advances in materials synthesis resulted in a rediscovery of the low cost copper in its one and two-dimensional forms and project newer applications of this metal in fields not considered before. In this thesis, one-dimensional copper, i.e. nanowires are synthesized by a hydrothermal route and explored for their chemical, electrical, catalytic and plasmonic properties with highlighted advantages, benefited from their size and shape compared to thin film and bulk copper. Characterization of copper nanowires and their native oxides were performed using a number of analytical techniques such as X-ray photoelectron and Auger spectroscopy, Raman spectroscopy, X-ray diffraction as well as scanning probe and electron microscopy techniques to elucidate the oxidation mechanism and to assess the feasibility of the oxidized materials for various applications. A few atomic layers of cuprous oxide seem to form on the surface of the nanowires instantly, maybe already during synthesis, which then slowly grows further when exposing the nanowires to ambient air leading to the appearance of cupric oxide as well. Because of the surface oxides, individual nanowires and their bundled networks exhibit semiconducting behavior, which complicates the direct use of such materials for interconnections in electronics. However, even with the presence of native oxides, copper nanowires hold promise in many other applications such as the ones explored here for plasmonics and heterogeneous catalysis. As demonstrated in this work, surface plasmon absorption properties of the nanowires can be exploited for chemical sensing of surface adsorbed molecules (model compound Rhodamine 6G) by efficiently amplifying its Raman spectrum without using any lithographically defined sensor template. Further, it is shown that phenol contamination in water may be efficiently eliminated by converting it to nontoxic polyphenol as well as to CO2 owing to the highly efficient catalytic property of the mixed oxide phases on the surface of the nanowires. The results published in this thesis contribute to the understanding of the chemical and physical behavior of copper nanowires and other low dimensional copper nanostructures that undergo rapid surface oxidation. / Tiivistelmä Jatkuva elektronisten laitteiden ja anturien pienentäminen on hyvin linjassa teknologian kehittymisen kanssa. Pyrkimys monitoimisiin ja tehokkaisiin materiaaleihin on muuttanut tavanomaisten materiaalien käsitystä. Viimeisimmät edistysaskeleet materiaalisynteesissä ovat johtaneet edullisen kuparin uudelleenlöytämiseen sen yksi- ja kaksidimensionaalisissa muodoissa ennustaen metallille uusia sovellutuksia alueilla, joissa sitä ei ole aiemmin hyödynnetty. Tässä väitöstyössä on tutkittu hydrotermisesti syntetisoitujen yksiulotteisten kuparinanojohtimien kemiallisia, sähköisiä, katalyyttisiä ja plasmonisia ominaisuuksia sekä näiden pieneen kokoon ja muotoon perustuvia etuoja ohutkalvo- ja bulkkikupariin verrattuna. Kuparinanojohtimia ja niiden luonnollisia oksideja karakterisoitiin useilla analyysitekniikoilla kuten röntgenelektroni- ja Auger-eletronispektroskopialla, Raman-spektroskopialla, röntgendiffraktiolla sekä pyyhkäisykärki- ja elektronimikroskopialla selvittäen hapettumismekanismeja ja oksidien soveltuvuutta eri käyttötarkoituksiin. Muutaman atomikerroksen paksuinen kupari(I)oksidikerros havaittiin muodostuvan välittömästi, luultavasti jo materiaalisynteesin aikana nanojohtimien pinnalle. Nanojohtimien altistuessa ympäröivälle ilmalle oksidikerros kehittyi hitaasti johtaen kupari(II)oksidin muodostumiseen. Pintaoksidien johdosta yksittäiset nanojohtimet ja niistä yhteenkasautuneet verkostot käyttäytyvät puolijohdemaisesti mikä monimutkaistaa näiden materiaalien käyttöä sellaisenaan elektroniikan johtimissa. Luonnollisista oksideista huolimatta kuparinanojohtimet ovat lupaavia monissa muissa sovelluksissa, kuten tässä työssä tutkituissa plasmonisessa ja heterogeenisessä katalyysissä. Väitöstyössä osoitetaan, että nanojohtimen pintaplasmonisia absorptio-ominaisuuksia voidaan hyödyntää pintaan absorboituneiden molekyylien kemiallisessa havainnoinnissa (mallinnettu yhdiste rodamiini 6G) vahvistamalla Raman–spektriä käyttämättä lainkaan litografiapohjaista anturisapluunaa. Myöskin vesien fenolikontaminaatio voidaan tehokkaasti muuntaa myrkyttömiksi polyfenoleiksi ja hiiidioksidiksi hyödyntämällä nanojohtimien pinnalla olevia oksideja tehokkaana katalyyttinä (jopa parempi kuin kaupallisten kupariin pohjautuvat katalyytit). Tässä väitöstyössä julkaistut tulokset edistävät kuparinanojohtimien sekä muiden pienikokoisten ja nopeasti hapettuvien kuparinanorakenteiden kemiallisen ja fyysisen käytöksen ymmärtämistä. Tieteellisten kehitysaskeleiden lisäksi tämä väitöstyö voi myös toimia lähteenä pienirakenteisten yleisten metallien sovelluksille.

Les supraconducteurs à base d'oxyde de cuivre ont fait l'objet d'études approfondis mais ils restent toujours au centre de nombreux débats. Après 30 années de recherche, certaines questions scientifiques ont été éclairées, alors que d'autres restent controversées. L'évolution du paramètre d'ordre supraconducteur avec la température et le dopage en est un cas exemplaire. Dans cette thèse nous décrivons notre étude systématique de supraconducteurs à haute temperature critique par Angle Resolved PhotoEmission Spectroscopy (ARPES: Spectroscopie de photoémission résolue en angle) et par ARPES resolué en temps. On a mesuré du Bi2Sr2CaCu2O8+δ avec dopage optimale (c.a.d. montrant la Tc la plus élevé), afin d'explorer la possibilité que une photo-excitation très intense du supraconducteur crée un état avec des paires de Cooper incohérentes et sans aucune densité superfluide. La méthode expérimentale employée nous a permis de mesurer la dynamique des électrons hors équilibre et du gap supraconducteur, en fournissant des informations complémentaires à l'ARPES conventionnelle et aux mesures optiques. Nos données de ARPES résolue en temps sur Bi2Sr2CaCu2O8+δ montrent que une photo-excitation génère un effondrement du gap supraconducteur qui dépend du moment. La relaxation des quasi-particules acquiert une composante rapide à la fluence F de seuil ou le gap s'effondre complètement. La comparaison entre le F_pair et le F_phase spar spectroscopie optique THz résolue en temps suggère que il y aurait un régime de fluence ou les paires de Cooper survivent, mais ne portant plus un courant superfluide.Un autre défi majeur dans la physique des cuprates supraconducteurs à haute température critique (HTSCs) est la compréhension de l'état normale à haute température. Nous presentons aussi un étude ARPES du pseudo-gap proche du point nodale de la surface de Fermi dans le système La2-xBaxCuO4 (LBCO), qui montre un possible lien avec les modulations de densité de charge (stripes). Nos données suggerent que le gap s'ouvre en dessous de la transition LTT-LTO associé à l'apparition des modulations de charge tandis que la fonction spectrale n'est pas affecté par le modulation de la densité de spin. On observe aussi que la structure de bande dans LBCO est rénormalisé avant le "kink" à environs 70 meV. Nous corrélons cette rénormalisation en énergie et moment à l'amollissement du mode d'étirement de la liaison Cu-O. / The superconductors of the copper-oxide family have been matter of extensive investigations and are still subject of fierce debates. After 30 years of research, some issues have been settled, whereas others remain controversial. The evolution of the superconducting order parameter with temperature and doping level is an exemplary case. In this thesis, we report a systematic Time resolved Angle Resolved PhotoEmission Spectroscopy (ARPES) study of the optimally doped Bi2Sr2CaCu2O8+δ to explore the possibility that an intense photoexcitation of the superconductor can generate a state with incoherent copper pairs and no superfluid density. The employed experimental methods allow us to measure the dynamics of non-equilibrium electrons and of the superconducting gap, providing complementary information to conventional ARPES and optical measurement. Our time resolved ARPES data of Bi2Sr2CaCu2O8+δ, report a momentum-dependent collapse of the superconducting gap upon photoexcitation. Interestingly, the QP relaxation develops a faster component at the threshold fluence F_pair where the gap has fully collapsed. The comparison between the F_pair and the F_phase extracted by tr-THz suggested the existence a fluence regime when the Cooper pairs have survived, but without holding superfluid current. A second major challenge in the physics of HTSCs is the poor understanding of the normal phase at high temperature. We also present the ARPES study of the near nodal pseudo-gap in La2-xBaxCuO4 (LBCO) to show a possible link with charge modulation (stripes). Our data show that the near nodal gap open below the LTT-LTO transition, which is linked to the formation of such modulations, instead of the one where spin modulations appear. The data show that the band structure of LBCO is affected by a renormalization setting in prior to the 70 meV kink. We were able to correlate this renormalization of the ARPES data to the region where the Cu-O bond-stretching mode soften, both in energy and momentum space.

Title: The preparation and study of catalytic system Cu(O)-CeO2 using surface analytical methods Author: Břetislav Šmíd Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor of the doctoral thesis: Doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr. Abstract: This work is concerned with a study of copper/copper oxide - cerium dioxide systems and their interaction with CO and H2O molecules. Investigated samples were prepared in the form of powder catalysts and also as very well defined model inverse systems. The low temperature CO oxidation powder catalysts were studied by means of XPS, XRD, SEM, TEM and in micro-reactor system allowing the CO oxidation examination. The study of H2O adsorption and co-adsorption of H2O with CO were carried out on model inverse systems CeOx(111)/Cu(111) in ultra-high vacuum conditions using X-ray, synchrotron radiation (SRPES), resonant (RPES) photoelectron spectroscopies and LEED. It was observed on the stoichiometric surface water adsorbs molecularly at 120 K while on the reduced surface and surface of CeO2 islands on Cu(111) the H2O adsorption is partially dissociative with formation of OH groups. The increase of Ce3+ species (i.e. surface reduction) observed after H2O adsorption was explained as an electronic effect of the Ce 4f charge accumulation and Ce 5d charge depletion....