The paper describes the Rossendorf Beamline (ROBL) built by the Forschungszentrum Rossendorf at the ESRF. ROBL comprises two different and independently operating experimental stations: a radiochemistry laboratory for X-ray absorption spectroscopy of non-sealed radioactive samples and a general purpose materials research station for X-ray diffraction and reflectometry mainly of thin films and interfaces modified by ion beam techniques. The radiochemistry set-up is worldwide an unique installation at a modern synchrotron radiation source.

Les mécanismes de complexation et d'accumulation des radionucléides au niveau cellulaire et moléculaire sont complexes et mal connus car les études sur ces sujets sont peu nombreuses. Dans le cadre de cette thèse, nous avons étudié les interactions de l'europium (analogue des actinides trivalents) et d'un actinide : l'uranium (VI), avec des molécules biologiques d'intérêt : les phytochélatines. Leur rôle est de protéger les cellules contre les intrusions de métaux lourds non essentiels (donc toxiques). Ces protéines sont donc susceptibles d'être impliquées dans les mécanismes de séquestration des radionucléides chez le vivant. Elles ont toutefois une structure complexe, c'est pourquoi, afin de mieux comprendre leur réactivité, nous avons étendu nos études aux sous entités qui les constituent (acides aminés et glutathion). <br />Nous avons en particulier déterminé la spéciation en solution (stoechiométrie, structure) ainsi que les constantes d'équilibre associées à la formation de ces espèces. Ces études ont été menées par Spectrofluorimétrie Laser à Résolution Temporelle (SLRT), ElectroSpray-Spectrométrie de Masse (ES-SM), Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), spectroscopie Infra-Rouge à Transformée de Fourier (IRTF) et Spectroscopie d'Absorption X (EXAFS). La détermination des constantes d'équilibre nous a permis de conclure que le pouvoir complexant de ces molécules vis-à-vis des radionucléides était modéré (log10K1 < 3, à pH 3 ou 6), les espèces formées sont mononucléaires avec une seule molécule de ligand (1:1). L'interaction se fait via les groupements durs (oxygénés). La complexation directe de l'europium par des molécules de phytochélatines à pH acide a été étudiée conjointement par SLRT et ES-SM. Le pouvoir complexant de ces molécules est bien supérieur à celui du GSH dont elles sont pourtant issues. Outre les travaux menés sur des solutions synthétiques reproduisant les conditions « biologiques » (pH proche de la neutralité, force ionique 0,1 mol/L, etc.), des tests de contamination cellulaire ont été réalisés. La quantification de l'europium intégré a montré que celles-ci sont capables d'incorporer significativement l'europium.

Les phosphates de cuivre de type NASICON CuxM2(PO4)3 (x=0,5 pour Cu2+; x=1 pour Cu+) (M=Ti, Zr) sont des matériaux remarquables par leurs propriétés catalytiques et luminescentes. L'établissement de modèles rendant compte de ces propriétés à nécessité la localisation du cuivre et la connaissance précise de son environnement par diverses techniques complémentaires : EXAFS, diffraction de neutrons, RMN, microscopie électronique. Le caractère lacunaire de ces phosphates a permis l' enrichissement en cuivre de ces matériaux et l'intercalation notamment du lithium et de l'hydrogène au sein de ces phases.

L'objectif de cet étude est de donner une caractérisation complète<br />de la structure locale de deux classes de composés : les manganites<br />de lanthane droguées avec du sodium et les doubles perovskites de<br />ferro-molybdène droguées avec du tungstène. Les deux classes se<br />comportent, en général comme de conducteurs dans leur phase<br />ferromagnétique et, suivant variations de température ou de dopage,<br />ils subissent une transition métal-isolant à laquelle il faut<br />associer une transition<br />ferromagnétique-paramagnétique(antiferromagnétique). En effet, il<br />est tout à fait accepté que aussi bien dans les manganites, que dans<br />les perovskites doubles, les propriétés de transport sont<br />influencées d'une façon importante par la structure locale (longueur<br />et angle de liaison) autour des sites clés occupés par des ions<br />magnétiques. Pour cette raison la spectroscopie d'absorption de<br />rayon X, en étant sensible à l'ordre locale autour de l'atome<br />absorbeur, constitue la technique la plus adaptée pour l'étude de<br />ces composés. La structure locale de film fins de manganite droguées<br />avec du sodium a été étudiée en fonction de l'épaisseur des film.<br />Des échantillons de poudre de perovskites double droguées avec<br />tungstène ont été étudiées pour en caractériser la structure locale<br />en fonction du dopage et pour chercher de comprendre la nature de la<br />transition métal-isolant. Il a été nécessaire de développer un<br />détecteur d'électrons. La réalisation de cet instrument s'est révélé<br />un défi du point de vue technique et il a demandé une quantité de<br />travail aussi bien sur la plan pratique que théorique. Les mesures<br />d'absorption de rayon-X ont été effectuées à la ligne de lumière<br />italienne pour la diffraction et l'absorption (GILDA-BM8) à<br />l'Installation Européenne de Rayonnement de Synchrotron (ESRF) de<br />Grenoble (France).

Les travaux présentés dans ce manuscrit sont consacrés à la croissance par épitaxie par jets moléculaires (EJM) de nanostructures isolées de Ge sur Si. Nous nous sommes intéressés à trois types de nanostructures; des boîtes quantiques isoléees de Ge avec une forte densité, des boîtes de Ge auto organisées sur des îlots de Si et des nanostructures de Ge incorporées dans des nanofils de Si. Un effort important a été porté sur l'élaboration de ces nanostructures par la voie EJM et sur la caractérisation de leurs propriétés structurales et chimiques. Nous avons mis en évidence par une étude de diffraction X en incidence rasante (GID) et par spectroscopie d'absorption X (EXAFS) que les boîtes quantiques de Ge épitaxiées à travers une fine couche d'oxyde étaient fortement contraintes par rapport au substrat de Si et sont presque pures Ge. La structure cristalline des boites de Ge encapsulées dans le Si a été étudiée par microscopie électronique en haute résolution (MET) et une étude par photoluminescence à basse température a montré une émission de ces boîtes dans le spectre visible. Cette luminescence a été attribuée à la présence de<br />liaison résiduelle Ge-O à l'interface entre les boîtes et le Si d'encapsulation. La croissance d'îlots de Si par épitaxie latérale à travers la couche d'oxyde a permis de supprimer ces liaisons et d'obtenir une luminescence des boîtes de Ge dans l'infra rouge avec une très faible largeur de raie. Ce phénomène est attribué à une faible dispersion en taille des boites<br />de Ge élaborées sur ces ilots de Si. Le dernier volet de ces travaux a porté sur l'élaboration de nanofils de Si par la voie VLS et sur l'incorporation de couches fines de Ge dans ces nanofils. L'interdiffusion du silicium dans ces couches de Ge a été quantifié par diffraction anomale et la structure cristalline des fils a été étudiée par MET.

Die Arbeit befaßt sich mit der Charakterisierung der elektronischen Struktur von neuen Halbleitermaterialien. Zu den untersuchten Materialsystemen, welche alle eine relativ kleine Gitterkonstante aufweisen, gehören der Diamant, Siliciumcarbid, amorphes Kohlenstoffnitrid (a-CNx) sowie verschiedene Proben der Serie AlxGa1-xN. Zur Charakterisierung der elektronischen Struktur werden Photoemissionsmessungen für die Bestimmung der besetzten Zustände und Methoden der Röntgenabsorption im Fall der unbesetzten Zustände herangezogen. Mit diesen Methoden wird die Struktur der Oberflächen von CVD-Diamantfilmen für unterschiedliche Oberflächenempfindlichkeiten bestimmt. Außerdem wird die Modifikation der elektronischen Bänder in Naturdiamant durch variierende Cäsiumbedeckungen der Oberfläche ermittelt. Für zwei Rekonstruktionen der 3C-SiC(001)-Oberfläche wird die Oberflächenbandstruktur bestimmt und es werden die Ergebnisse mit existierenden Strukturmodellen und Rechnungen verglichen. Zum Vergleich werden auf dieser Oberfläche weiterhin auch Messungen zur optischen Oberflächenanisotropie durchgeführt und Hinweise auf Beiträge von Oberflächenzuständen zu den Spektren gefunden. In den amorphen Kohlenstoffnitridfilmen können verschiedene Stickstoff- und Kohlenstoffkoordinationen nachgewiesen und deren Temperaturstabilität bestimmt werden. Aus den polarisationsabhängigen Röntgenabsorptionsmessungen an nitridiertem Galliumarsenid bzw. an den Proben der Serie AlxGa1-xN werden Rückschlüsse auf die Phasenzusammensetzung und die geometrische Struktur gezogen.

The synthesis and characterization of Pt core/ Cu shell (Pt@Cu) dendrimer-encapsulated nanoparticles (DENs) having full and partial Cu shells deposited via electrochemical underpotential deposition (UPD) is described. Pt DENs containing averages of 55, 147, and 225 Pt atoms immobilized on glassy carbon electrodes served as the substrate for the UPD of a Cu monolayer. This results in formation of Pt@Cu DENs. Evidence for this conclusion is based on results from the analysis of cyclic voltammograms (CVs) for the UPD and stripping of Cu on Pt DENs, and from experiments showing that the Pt core DENs catalyze the hydrogen evolution reaction before Cu UPD, but that after Cu UPD this reaction is inhibited. Results obtained by in-situ electrochemical X-ray absorption spectroscopy (XAS) confirm the core@shell structure. Calculations from density functional theory (DFT) show that the first portion of the Cu shell deposits onto the (100) facets, while Cu deposits lastly onto the (111) facets. The DFT-calculated energies for Cu deposition on the individual facets are in good agreement with the peaks observed in the CVs of the Cu UPD on the Pt DENs. Finally, structural analysis of Pt DENs having just partial Cu shells by in-situ XAS is consistent with the DFT-calculated model, confirming that the Cu partial shell selectively decorates the (100) facets. These results are of considerable significance because site-selective Cu deposition has not previously been shown on nanoparticles as small as DENs. In summary, the application of UPD as a synthetic route and characterization tool for core@shell DENs having well defined structures is established. A study of the degradation mechanism and degradation products of Pd DENs is provided as well. These DENs consisted of an average of 147 atoms per dendrimer. Elemental analysis and UV-vis spectroscopy indicate that there is substantial oxidation of the Pd DENs in air-saturated solutions, less oxidation in N₂-saturated solution, and no detectable oxidation when the DENs are in contact with H₂. Additionally, the stability improves when the DEN solutions are purified by dialysis to remove Pd²⁺-complexing ligands such as chloride. For the air- and N₂-saturated solutions, most of the oxidized Pd recomplexes to the interiors of the dendrimers, and a lesser percentage escapes into the surrounding solution. The propensity of Pd DENs to oxidize so easily is a likely consequence of their small size and high surface energy. Calculations from density functional theory (DFT) show that the first portion of the Cu shell deposits onto the (100) facets, while Cu deposits lastly onto the (111) facets. The DFT-calculated energies for Cu deposition on the individual facets are in good agreement with the peaks observed in the CVs of the Cu UPD on the Pt DENs. Finally, structural analysis of Pt DENs having just partial Cu shells by in-situ XAS is consistent with the DFT-calculated model, confirming that the Cu partial shell selectively decorates the (100) facets. These results are of considerable significance because site-selective Cu deposition has not previously been shown on nanoparticles as small as DENs. In summary, the application of UPD as a synthetic route and characterization tool for core@shell DENs having well defined structures is established. A study of the degradation mechanism and degradation products of Pd DENs is provided as well. These DENs consisted of an average of 147 atoms per dendrimer. Elemental analysis and UV-vis spectroscopy indicate that there is substantial oxidation of the Pd DENs in air-saturated solutions, less oxidation in N2-saturated solution, and no detectable oxidation when the DENs are in contact with H2. Additionally, the stability improves when the DEN solutions are purified by dialysis to remove Pd2+-complexing ligands such as chloride. For the air- and N2-saturated solutions, most of the oxidized Pd recomplexes to the interiors of the dendrimers, and a lesser percentage escapes into the surrounding solution. The propensity of Pd DENs to oxidize so easily is a likely consequence of their small size and high surface energy. / text

This work describes the synthesis of dendrimer-encapsulated nanoparticles (DENs) and the expansion of the characterization ability for these materials. The dendrimer-template method for the synthesis of nanoparticles allows precise control over the size, composition and structure of nanoparticles in the 40-250 atom range. In this size regime, the surface structure of the nanoparticles dominates their catalytic properties. The long term goal of this research is to correlate the structure of these nanoparticles to their catalytic activity, improving the ability to predict superior catalysts a priori. As a prerequisite for this analysis, the precise structure of the catalytically active nanoparticle must be determined. Characterization of nanoparticles in the 1-2 nm region is significantly more difficult than more commonly used nanoparticles of 3-5 nm diameter or larger. Typical characterization of these nanoparticles involves UV-vis spectroscopy for Mie absorbance and transmission electron microscopy for size analysis. This work involves the use of extended X-ray absorption-fine structure (EXAFS) to determine the local structure of the nanoparticles. For monometallic Pt DENs, EXAFS was combined with UV-vis, TEM, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and electrochemistry to determine that the Pt system is not simply nanoparticles but a more complex, bimodal state. EXAFS has also been used to differentiate between different bimetallic structures. For PdAu DENs, there are two synthetic methods used. When both metals are reduced simultaneously, the resulting nanoparticles have a quasi-random alloy structure. These nanoparticles were then extracted from the dendrimer into an organic solvent by use of alkanethiols. The extraction process changed the alloy structure into Au-core/Pd-shell. When Pd and Au were reduced in sequence, the DENs were formed as a Au-core/Pd-shell material, regardless of the order of the reduction of the metals. The Au-core/Pd-shell structure was also present after extraction. In addition to structural analysis to determine the result of different synthetic methods, EXAFS was also used in situ to measure the structure of Pt DENs during the oxidation of absorbed CO. These in situ measurements are important for determining the structure of the actual catalyst rather than the precursor nanoparticle. In this case, the Pt DENs changed from a bimodal distribution into fully reduced nanoparticles by the application of a reducing potential. The binding of CO to the Pt DENs and subsequent oxidation did not cause measurable agglomeration of the nanoparticles. This reduction of the Pt system by electrochemical means was also explored as a synthetic method. The Pt-dendrimer complex was placed on a TEM grid for electrochemical treatment. A potential step was shown to reduce some of the Pt-dendrimer complexes into Pt nanoparticles of the expected size. However, most of the complexes were not reduced. Therefore, only the standard chemical reduction followed by electrochemical treatment is sufficient to fully reduce the nanoparticle samples. This work has explored additional synthetic methods for the synthesis of monometallic and bimetallic DENs. The use of EXAFS, as well as other advanced characterization techniques, has advanced knowledge of the structure of various DENs. Both the characterization toolset and the synthetic methods will provide a basis for investigations of catalytically active materials. / text

Water is a complex liquid with many unusual properties. Our understanding of its physical, chemical and biological properties is greatly advanced after a century of dedicated research but there are still many unresolved questions. If answered, they could have important long-term consequences for practical applications ranging from drug design to water purification. This thesis presents results on the structure, dynamics and thermodynamics of liquid water. The focus is on theoretical simulations applied to interpret experimental data from mainly x-ray and neutron scattering and spectroscopy techniques. The structural sensitivity of x-ray and neutron diffraction is investigated using reverse Monte Carlo simulations and information on the pair-correlation functions of water is derived. A new method for structure modeling of computationally demanding data sets is presented and used to resolve an inconsistency between experimental extended x-ray absorption fine-structure and diffraction data regarding oxygen-oxygen pair-correlations. Small-angle x-ray scattering data are modeled using large-scale classical molecular dynamics simulations, and the observed enhanced scattering at supercooled temperatures is connected to the presence of a Widom line emanating from a liquid-liquid critical point in the deeply supercooled high pressure regime. An investigation of inherent structures reveals an underlying structural bimodality in the simulations connected to disordered high-density and ordered low-density molecules, providing a clearer interpretation of experimental small-angle scattering data. Dynamical anomalies in supercooled water observed in inelastic neutron scattering experiments, manifested by low-frequency collective excitations resembling a boson peak, are investigated and found to be connected to the thermodynamically defined Widom line. Finally, x-ray absorption spectra are calculated for simulated water structures using density functional theory. An approximation of intra-molecular zero-point vibrational effects is found to significantly improve the relative spectral intensities but a structural investigation indicates that the classical simulations underestimate the amount of broken hydrogen bonds. / Vatten är en komplex vätska med flera ovanliga egenskaper. Vår förståelse av dess fysiska, kemiska och biologiska egenskaper har utvecklats mycket sedan systematiska vetenskapliga studier började genomföras för mer än ett sekel sedan, men många viktiga frågor är fortfarande obesvarade. En ökad förståelse skulle på sikt kunna leda till framsteg inom viktiga områden så som medicinutveckling och vattenrening. Denna avhandling presenterar resultat kring vattnets struktur, dynamik och termodynamik. Fokusen ligger på teoretiska simuleringar som använts för att tolka experimentella data från huvudsakligen röntgen- och neutronspridning samt spektroskopier. Den strukturella känsligheten i röntgen- och neutrondiffraktionsdata undersöks via reverse Monte Carlo metoden och information om de partiella parkorrelationsfunktionerna erhålls. En ny metod för strukturmodellering av beräkningsintensiva data presenteras och används för att lösa en motsägelse mellan experimentell diffraktion och EXAFS angående syre- syre parkorrelationsfunktionen. Data från röntgensmåvinkelspridning modelleras med storskaliga klassiska molekyldynamiksimuleringar, och den observerade förhöjda småvinkelspridningen vid underkylda temperaturer kopplas till existensen av en Widomlinje härrörande från en vätske- vätske kritisk punkt i det djupt underkylda området vid höga tryck. En undersökning av inherenta strukturer i simuleringarna påvisar en underliggande strukturell bimodalitet mellan molekyler i oordnade högdensitetsregioner respektive ordnade lågdensitetsregioner, vilket ger en tydligare tolkning av den experimentella småvinkelspridningen. Dynamiska anomalier i underkylt vatten som har observerats i inelastisk neutronspridning, speciellt förekomsten av lågfrekventa excitationer som liknar en bosontopp, undersöks och kopplas till den termodynamiskt definierade Widomlinjen. Slutligen presenteras densitetsfunktionalberäkningar av röntgenabsorptionsspektra för simulerade vattenstrukturer. En approximation av intramolekylära nollpunktsvibrationseffekter förbättrar relativa intensiteteri spektrumen avsevärt, men en strukturanalys visar att klassiska simuleringar av vatten underskattar andelen brutna vätebindningar. / At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 6: Submitted. Paper 7: Submitted. Paper 8: Manuscript. Paper 9: Submitted.

The magnetic and structural properties of nano magnet arrays and ferromagnetic thin films are investigated. Circular x-rays are used and extensive use is made in this Thesis of the X-ray Magnetic Circular Dichroism (XMCD) technique. By means of the XMCD magneto-optic sum rules the values of the orbital and spin moments are determined. In the case of the nano magnet arrays studied, the XMCD technique is used in a spatially resolved mode using Photo Electron Emission Microscopy (PEEM) after circular light excitation. The Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) is studied in both the Co K- and L-edges. In situ Co L-edge X-ray XMCD spectroscopy measurements are presented, in combination with spectro-microscopy results, on Co/Pt and Co/Au based nano-dot arrays, of typical dot lateral size 250×100 nm2, on self organized Si0.5Ge0.5. The Co is only a few atomic layers thick. The dot arrays display a high degree of lateral order and the individual dots, in several cases, exhibit a stable magnetic moment at 300 K. It is found possible to characterize the spin reorientation of these dot arrays. For both systems the in- versus out-of-plane orbital moment anisotropy, is not always related with an out-of-plane magnetization and the occurrence of a spin reorientation. By performing Co K-edge EXAFS measurements the local atomic structure around the Co atoms is characterized. The feasibility of a high precision quantitative structural analysis of L-EXAFS is studied on the system Au/Co/Au/W(110). The spin reorientation transition is studied as a function of the Co thickness and Au cap thickness. The L-edge EXAFS indicates that this reorientation is correlated to a lattice expansion in the perpendicular direction. High precision angle dependent XMCD work is performed on a high temperature exchange bias system. Pinned or frozen magnetic moments are studied within an exchange biased NiFe ferromagnet at the NiFe/FeMn, ferromagnet/antiferromagnet interface by XMCD and complemented by x-ray resonant reflectivity experiments, at the Ni, Fe and Mn L-edges. The Mn L-edge XMCD MnSb and of (Ga, Mn)As layers modified by high temperature annealing is studied. For MnSb an enhanced value is obtained versus theoretical calculations. This result can be explained by means of the enhanced surface to volume ratio for the samples studied. For (Ga, Mn)As differences are found in the local environment of the Mn atoms upon annealing.