La pression est un paramètre physique qui modifie les interactions structurales, électroniques et magnétiques dans les matériaux. Créer une très haute pression permet donc la synthèse de nouveaux matériaux, comme par exemple des supraconducteurs ayant des valeurs de température critique record. Ces pressions peuvent être générées au moyen d’une cellule à enclume de diamant (DAC) qui peut comprimer un matériau jusqu’à des pressions de plusieurs centaines de GPa. Il est cependant difficile de caractériser les propriétés magnétiques de matériaux à l’intérieur d’une DAC à cause du très faible volume occupé par l’échantillon et des contraintes techniques. Dans cette thèse, nous proposons d’utiliser une technique de magnétométrie optique fondée sur la résonance de spin électronique de centres colorés NV du diamant. Ces centres NV sont fabriqués à la surface d’une des deux enclumes de la DAC et sont ainsi au contact de l’échantillon magnétique à caractériser.Dans un premier chapitre, nous rappelons le fonctionnement de la DAC et décrivons les techniques de mesures magnétiques développées pour la physique des hautes pressions. Nous présentons ensuite le principe de la magnétométrie à centres NV et l’appliquons à la mesure de l’aimantation d’un micro-aimant à pression ambiante. La sensibilité de cette mesure atteint celle des magnétomètres à SQUID. Le troisième chapitre discute de la façon dont les contraintes mécaniques modifient la résonance de spin du centre NV, et détaille la manière dont cet effet se combine avec celui dû à un champ magnétique externe. La possibilité de découpler les deux effets nous permet d’observer la transition de phase magnétique du fer autour de 15 à 30 GPa dans le quatrième chapitre. Enfin, le dernier chapitre décrit le contexte et les enjeux liés à la synthèse d’hydrures supraconducteurs à haute température critique. Nous montrons ensuite qu’il est possible de détecter optiquement une phase supraconductrice à l’intérieur d’une DAC en utilisant les centres NV pour observer l’effet Meissner de MgB2 à une pression de 7 GPa et avec une température critique de 30 K. / Pressure is a physical variable that alters structural, electronic and magnetic interactions in all materials. Reaching high pressure is thus a way to create new materials such as superconductors with record critical temperatures. High pressures can be enabled through the use of diamond anvil cells (DAC), which can attain pressures of several hundred of GPa. It is however quite a challenge to measure magnetic properties of materials inside a DAC because of the very small sample volume available and of technical constraints. In this PhD thesis, we demonstrate the use of a magnetometry method based on the electronic spin resonance of NV centers in diamond. These NV centers are fabricated directly on top of one of the DAC anvils, which places them in contact with the magnetic sample.In the first chapter, we describe how the DAC works and we present the different ways of probing magnetic properties that have been developed for high pressure conditions. We then explain the operating principle of NV magnetometry and use this method to measure the magnetization of a micro-magnet at ambient pressure. The sensitivity of this measure is comparable to that of SQUID magnetometry. In the third chapter, we discuss how mechanical constraints modify the spin resonance of the NV center, and describe how this effect combines with the influence of an external magnetic field. By decoupling these two effects, we can observe the magnetic phase transition of iron around 15 to 30 GPa, which is displayed in the fourth chapter. Finally, the last chapter briefly presents the context and stakes associated with the synthesis of superconducting superhydrides with high critical temperature. We perform an optical detection of a superconducting phase inside a DAC with NV centers through the observation of the Meissner effect in MgB2 at a pressure of 7 GPa and with a critical temperature of 30 K.

Title: Dynamics of photoexcited charge carriers in diamond Author: Bc. Tomas Popelar Department: KCHFO MFF UK Supervisor: prof. RNDr. Petr Maly DrSc., KCHFO MFF UK Abstract: In this work we examine the luminescence from diamond in the strong excitation regime by one-photon or two-photon absorption of femtosecond laser beam. Measured sample was very pure type IIa diamond prepared by CVD method which was held in cryostat in order to measure temperature dependant luminescence in range from 12 K to 300 K. The signal was collected and analyzed either by spectrograph or streak camera so we gained time-integrated and time-resolved results. We analyzed only the part of the spectrum containing contributions from electron-hole liquid (for low temperatures), free excitons and probably exciton complexes. For higher temperatures where the condensation is not possible the contribution from e-h plasma was too weak compared to free excitons and was only detectable by time-resolved measurements. Other time-dependant results were obtained by pump and probe experiment with which we examined a change of life- times based on mode of excitation (one-photon or two-photon one) and also an influence of other beams on the condensation into electron-hole drops. Keywords: CVD diamond, dynamics, e-h liquid, excitons

Due to its extraordinary features and wide bandwidth (5.47 eV), diamond is a very promising material in the field of optoelectronics. By absorbing ultraviolet light, excited charge carriers - electrons and holes - are created in the diamond, which can create excitons due to mutual Coulomb interaction. For low temperatures and high concentrations of photoexcitated carriers, carriers can condense into electron-hole droplets and form an electron-hole liquid. The aim of this diploma thesis is to follow up with previous research at the department and to examine the dynamics of electron-hole liquid in bulk diamond at low temperatures. Using femtosecond laser spectroscopy, we investigate the influence of excitation wavelengths on the dynamics of electron-hole liquid condensation.

Nanodiamonds (NDs) are an interesting platform in biological applications and disease treatment. Because of their photoluminescence properties and modifiable surface, they have been investigated as potential carriers for drugs and nucleic acids as well as fluorescent probes. In order to design NDs meeting specifically desired parameters, which would succeed in clinical trials and in medicinal therapy, understanding the mechanism of uptake and intracellular fate of NDs is crucial. The diploma thesis is focused on mechanistic investigation of ND-based nanoparticles delivering nucleic acids to human cells. First, NDs coated with a novel cationic co-polymer were prepared. NDs were then complexed with siRNA in order to transfect siRNA inside U-2 OS cells. NDs proved to be biocompatible and effective transfection particles as observed by qPCR and colorimetric cytotoxicity and cell viability tests. To examine ND uptake by cells, we inhibited endocytosis by specific inhibitors. Obtained results implicated that ND uptake was clathrin- and caveolin dependent. Nonetheless, more than half of NDs was internalized by cells in a different fashion. Some NDs colocalized with early endosomes, lysosomes and caveolin-derived endosomes after internalization. Other NDs resided either in unknown cell structures or escaped from...

Understanding and control of interactions between biological environment (cells, proteins, tissues, membranes, electrolytes, etc.) and solid-state surfaces is fundamental for biomedical applications such as bio-sensors, bio-electronics, tissue engineering and implant materials as well as for environmental monitoring, security and other fields. Diamond can provide unique combination of semiconducting, chemical, optical, biocompatible and other properties for this purpose. In this thesis we characterize electronic properties of protein-diamond interface by employing a solution-gated field-effect transistor (SGFET) based on hydrogen-terminated diamond, surface of which is exposed to biological media. We elucidate the role of adsorbed protein layer on the electronic response of the diamond transistor. We investigate effects of cells (using mainly osteoblast cells as model) on diamond SGFETs transfer characteristics and gate currents. We employ nanocrystalline diamond (NCD) thin films of different grain sizes (80 - 250 nm) to characterize and discuss influence of grain boundaries and sp2 phase on bio- electronic function of SGFETs. We investigate effects of gamma irradiation on function and stability of hydrogen-terminated diamond SGFETs interfaced with proteins and cells, showing feasibility of...

Diamanten har alltid lockat människan. Lika klar och glittrande som vattnet skiner diamanten i människans händer. I vattnet kan människan urskilja sin egen spegelbild, bli medveten om sin kropp och hon förstår att det är från vattnet kroppen får liv. Människokroppen består av vatten och läcker vatten. Hård och steril förblir diamanten lika död som levande.  Min konstnärliga praktik drivs av lusten att kravlöst och lekfullt få utforska de frågeställningar jag jobbar med och kunna gestalta dom med ett symboliskt perspektiv. Ur ett smyckesrelaterat perspektiv undersöker mitt examensarbete relationen mellan kroppen och objekt, där diamantens association till vatten står i fokus. Människan förlänger kroppen med objekt. Relationen mellan dessa borde beskrivas som en sammansmältning. Objekt som blir kropp, kropp som blir objekt. Kroppar gör smycken, smycken blir kropp, kropp är vatten och cirkeln sluts.

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Diese Arbeit beschäftigt sich mit den niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und der Diamantoberfläche. Es werden jeweils zwei der genannten Materialien kombiniert und im Hinblick auf die dadurch entstehenden magnetischen und elektronischen Eigenschaften untersucht. Durch die Füllung von Fullerenen in CNTs mit entsprechenden Durchmessern ergibt sich eine eindimensionale Anordnung der Fullerene. Diese Strukturen werden als peapods bezeichnet. Bei der Verwendung von endohedralen, magnetischen Fullerenen ergibt sich durch die Einschränkung der Dimension die Möglichkeit einer wohl-definierten Kopplung und dadurch eine mögliche Änderung der magnetischen Eigenschaften. Die hier betrachteten Moleküle sind die paramagnetischen Fullerene N@C60 und Er3N@C80 sowie das ferromagnetische Dy2ScN@C80-Fulleren, welches auch als ein Einzelmolekülmagnet (SMM) bezeichnet wird. Für die Herstellung von peapods wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Füllanlage aufgebaut, welche die speziellen Anforderungen der Fullerene berücksichtigt und mit der auch CNTs auf Substraten gefüllt werden können. Der Erfolg der Füllung wird mit hochauflösender Transmisssions-Elektronenmikroskopie (HRTEM), energiedispersiver Röntgen-Spektroskopie (EDX) und optischer Emissions- Spektrometrie (OES) überprüft. Durch weitergehende Untersuchungen im HRTEM konnte eine Reaktion von metallischen Atomen aus den Fullerenen innerhalb der CNTs zu neuen, metallischen Clustern beobachtet werden. Für die Untersuchungen möglicher Änderungen der magnetischen Eigenschaften sind magnetische Messungen notwendig. Diese können mit der Methode des magnetischen zirkularen Röntgendichroismus (XMCD) durchgeführt werden. Für das Ziel von nanoskopischen XMCD-Messungen einzelner peapods wurden Rastertransmissions- Röntgenmikroskopie-Messungen (STXM) am Synchrotron durchgeführt. Diese wurden mit HRTEM-Messungen derselben Probenpositionen korreliert, um die spektroskopische mit der räumlichen Auflösung zu verknüpfen. Dabei konnte ein Röntgenabsorptions- Spektrum von einem dünnen peapod-Bündel gemessen werden. Zusätzlich wurde mit makroskopischen XMCD-Messungen von Er3N@C80-Fullerenen, gefüllt in CNTs, gezeigt, dass diese Methode auch für peapods anwendbar ist. Erste XMCDMessungen von ferromagnetischen Dy2ScN@C80-Fullerenen zeigen eine deutliche Änderung der magnetischen Eigenschaften durch die eindimensionale Anordnung in CNTs. Im Zusammenhang mit der eindimensionalen Anordnung von paramagnetischen Fullerenen wurde außerdem ein Konzept eines Quantenregisters betrachtet, welches auf N@C60- peapods basiert. Diese sollen dabei auf eine Diamantoberfläche deponiert werden, um oberflächennahe Stickstoff-Fehlstellen-Zentren zum Auslesen der Spinzustände der N@C60- Fullerene verwenden zu können. Die in diesem Fall auftretende elektronische Wechselwirkung zwischen unterschiedlich terminierten Diamantoberflächen und CNTs sowie Fullerenen wurde mit Kelvinsonden-Mikroskopie- Messungen (KPFM) untersucht. Dabei wurde erstmalig ein Elektronentransfer von der wasserstoffterminierten Diamantoberfläche in CNTs experimentell nachgewiesen, während dieser bei Sauerstoffterminierung nicht beobachtet wurde. Die präsentierten Messungen geben Auskunft über den auftretenden Ladungstransfer, indem Ladungen in C60- Fullerenen und CNTs lokal aufgelöst abgebildet werden. Zusammenfassend können die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse helfen, zukünftige Bauelemente von klassischen Computern oder Quantencomputern, basierend auf niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien, zu entwickeln.

Le dépôt de ZnO sur diamant est actuellement assuré par des méthodes physiques (ALD, sputtering, CVD) coûteuses et complexes à mettre en oeuvre. La réalisation de ces dépôts de ZnO peut également être effectuée via des procédés plus doux tels que le procédé électrochimique qui représente une alternative intéressante car peu coûteux, et facile à mettre en oeuvre. L’électrodépôt de ZnO a été très largement étudié sur divers substrats, notamment pour des applications dans le domaine du photovoltaïque. Toutefois, seule une étude a été réalisée concernant l’électrodépôt de ZnO sur diamant alors que de nombreuses applications découlent de telles structures : dispositifs à ondes acoustiques de surface (SAW), photo-détecteurs UV ou bien biocapteurs. L’objectif de la thèse réside ainsi dans l’étude de l’électrodépôt de ZnO sur substrat diamant dopé bore en se basant sur le procédé mis en évidence par le groupe de Lincot dans les années 1990. Cette technique consiste à réduire, en présence d’ions Zn2+, l’oxygène dissous pour former des hydroxydes et a fortiori ZnO par réaction des hydroxydes et des ions Zn2+.Le diamant étant un substrat complexe en raison notamment de son grand gap (5,4 eV), un important dopage est nécessaire pour pouvoir l’étudier dans le domaine de l’électrochimie. Dans un premier temps, les conditions d’électrodépôt de ZnO sur diamant (température, potentiel électrique) ont été déterminées avant d’envisager l’étude de l’influence de divers paramètres expérimentaux. Par la suite, l’influence de la composition du bain a été étudiée puisque les concentrations et la nature des précurseurs de zinc et de l’électrolyte support ont été étudiées, permettant de former toute une variété de structures de ZnO sur diamant. Enfin, la dernière partie de la thèse s’est focalisé sur l’influence de la chimie de surface du diamant sur la morphologie, la structure et l’adhérence des dépôts de ZnO formés. L’état de surface initialement hydrogéné du diamant a été modifié en utilisant des traitements électrochimiques conduisant à la formation de groupements oxydés. / Currently, ZnO deposition on diamond is obtained by physicals methods (ALD, sputtering, CVD) which are expensive and difficult to implement. The realization of these ZnO deposits can also be made by softer methods such as electrodeposition which represents an interesting alternative because of its low cost. ZnO electrodeposition has been already studied on several substrates especially for photovoltaic devices. However, only one study has been realized concerning ZnO electrodeposition on diamond while many applications derived from these structures: surface acoustic wave sensors, UV photodetectors, and biosensors. The aim of this work is the study of ZnO electrodeposition on boron doped diamond by following the process highlighted by Lincot et al in 1990s. This process is based on the oxygen reduction reaction leading to the formation of hydroxides which react with Zn2+ cations to form ZnO. Diamond is a complex substrate which presents a large gap of 5.4 eV requiring an important doping to allow its use in electrochemistry. At first, ZnO electrodeposition conditions (temperature, electrical potential) have been determined. The influence of deposition bath has then been studied by varying nature and concentrations on zinc precursor and electrolyte support. Results indicate the possibility to obtain different ZnO/diamond structures by varying theses parameters. Finally, the influence of the surface termination of diamond on ZnO structures, shape and adherence has been investigated by modifying the H-terminated surface on O-terminated surface by using electrochemical treatments.

Récemment, sous des pressions de plusieurs gigapascals, de nouveaux hydrures ont été synthétisés avec des propriétés étonnantes potentiellement porteuses de ruptures technologiques pour le stockage de l’hydrogène ou la supraconductivité. Plusieurs superhydrures sont étudiés expérimentalement et simulés par DFT dans cette thèse. Les diagrammes de phases en pression de LiBH4 et NaBH4, deux composés d’intérêt pour le stockage de l’hydrogène, sont explorés par diffraction de rayons X, spectroscopie Raman et infrarouge jusqu’à des pressions de 300 GPa sans observer de décomposition. L’insertion d’hydrogène dans NaBH4 donne le super-hydrure NaBH4(H2)0.5. Pour éclaircir l’interprétation de la supraconductivité record à 200 K trouvée dans H2S sous pression, le super-hydrure H3S a été synthétisé à partir des éléments S et H. Les résultats de diffraction semblent en désaccord avec l’interprétation communément admise qu’H3S en phase Im-3m est responsable de cette supraconductivité et laisse la porte ouverte à d’autres interprétations. Enfin, les super-hydrures CrHx avec x=1, 1.5 et 2 ont également été synthétisés à partir des éléments et caractérisés par diffraction de rayons X. Si ces hydrures correspondent bien àceux qui avaient été prédits numériquement, l’absence des stoechiométries plus élevées est discutée. Pour mesurer les températures de supraconductivité calculées dans les superhydrures MHx, une cellule à enclumes de diamant miniature permettant une détection de l’effet Meissner a été développée. / Recently, under pressures of several gigapascals, new hydrides have been synthesised with striking properties that may herald technological breakthroughs for hydrogen storage and superconductivity. In this PhD thesis, several superhydrides have been studied experimentally and simulated by DFT. The pressure phase diagrams of LiBH4 and NaBH4, two compounds of interest for hydrogen storage, have been explored thanks to X-ray diffraction and Raman and infrared spectroscopy up to pressures of 300 GPa without observing any decomposition. The insertion of hydrogen inside NaBH4 generates the superhydride NaBH4(H2)0.5. To refine the interpretation of the record superconductivity found in H2S under pressure at 200 K, the superhydride H3S has been synthesised from S and H elements. The results of the diffraction study seem to be at odds with the commonly accepted interpretation that Im-3m H3S is responsible for the superconductivity observed and leaves the door open to other interpretations. Finally, CrHx hydrides with x = 1, 1.5 and 2 have also been synthesised from the elements and characterised by X-ray diffraction. Although these hydrides do correspond to the ones that had been numerically predicted, the absence of the expected higher stoichiometries is discussed. To measure the superconductivity temperatures calculated for MHx hydrides, a miniature diamond anvil cell which allows the detection of a Meissner effect has been developed.