Heidelberg, Univ., Diss., 2006.

Techn. Universiẗat, Diss., 2002--Berlin.

Universiẗat, Diss., 2005--Düsseldorf.

Using inelastic electron scattering in combination with dielectric theory simulations on differently prepared graphene layers on silicon carbide we demonstrate that the coupling between the 2D plasmon of graphene and the surface optical phonon of the substrate cannot be quenched by modifcation of the interface via intercalation. The intercalation rather provides additional modes like, e.g., the silicon-hydrogen stretch mode in the case of hydrogen intercalation or the silicon-oxygen vibrations for water intercalation that couple to the 2D plasmons of graphene. Furthermore, in the case of bilayer graphene with broken inversion symmetry due charge imbalance between the layers, we observe a similar coupling of the 2D plasmon to an internal infrared-active mode, the LO phonon mode. The coupling of graphene plasmons to vibrational modes of the substrate surface and internal infrared active modes is envisioned to provide an excellent tool for tayloring the plasmon band structure of monolayer and bilayer graphene for plasmonic devices such as plasmon flters or plasmonic wave guides. The rigidity of the effect furthermore suggest that it may be of importance for other 2D materials as well.

The chemisorption and electrochemical hydrogenation of hydroquinone (H2Q) at polycrystalline (pc) Pd, well-ordered Pd(100), and Pd-modified Au(hkl) electrodes were studied using a combination of ultra-high vacuum (UHV) surface spectroscopy, electrochemistry (EC), and electrochemical mass spectrometry (EC-MS). H2Q was found to form a slightly tilted flat-oriented quinone (Q) adlayer, when adsorbed from low concentrations; when chemisorbed from high concentrations, an edgewise-oriented H2Q adlayer was indicated. The hydrogenation of the chemisorbed layer is initiated at potentials before the onset of the hydrogen evolution region. As expected, the kinetics increases as the applied potential is increased, but the hydrogenation pathway appears to be independent of the potential. Hydrogenation in the absence of absorbed hydrogen (sub-surface) was studied at ultra-thin Pd films on Au single-crystal substrates. Hydrogenation and/or potential induced desorption were established, although non-volatile and/or hydrophobic products were detected. In comparison, negative excursions with benzene-coated electrodes resulted in nothing more than potential-induced desorption of the starting material. Negative-potential electro-desorption was more facile at terraces than at steps. Vibrational spectroscopic measurements suggested that hydrogenation occurs one molecule at a time to the fullest extent that resulted in desorption of product; that is, partially hydrogenated species do not exist on the surface.

The chemisorption and anodic oxidation of hydroquinone (H2Q) and benzoquinone (BQ) at palladium electrode surfaces was studied by a combination of electrochemistry (EC), Auger electron spectroscopy (AES), high-resolution electron- energy loss spectroscopy (HREELS) and electrochemical-scanning tunneling microscopy (EC-STM) on a smooth polycrystalline and well-defined (single-crystalline) Pd(100) electrode surface. The results point to the following more critical conclusions: (i) Chemisorption of H2Q from dilute (less than or equal to 0.1 mM) aqueous solutions forms surface- coordinated BQ oriented parallel albeit with a slight tilt. (ii) At high concentrations (greater than or equal to 1mM), chemisorption yields an edge-vertical oriented diphenolic species. (iii) The extent of anodic oxidation of the chemisorbed organic strongly depends upon its initial orientation; only the flat-adsorbed species are oxidized completely to carbon dioxide. (iv) The rate of anodic oxidation is likewise dependent upon the initial adsorbate orientation; the rate for vertically-oriented species is more than twice that of flat- adsorbed species. (v) The chemisorbed species are not oxidized (to the same extent) simultaneously; instead, oxidation occurs one molecule at a time. That is, molecules that survive the anodic oxidation and remain on the surface retain their original identities.

Nous étudions l'adsorption de molécules de C60 sur deux reconstructions riches en silicium du 6H-SiC(0001) par IPES, UPS et XPS. Nous mettons en évidence que l'adsorption de C60 sur (3*3) est singulière et définit un nouveau type de liaison entre C60 et substrat : liaison covalente forte avec désorption par recuit à haute température et récupération de la reconstruction de surface. Ces expériences illustrent la complexité de la liaison Si-C60 et permettent une nouvelle mise en perspective.En combinant ARPES à basse énergie de photon et DFT sur une monocouche de ZnPc sur Ag(110), nous prouvons que l'effet de "Umklapp de surface" est effectif pour un réseau de molécules organiques organisé à grande distance. C'est à dire que les conditions de sortie des photoélectrons de volume sont modifiées par la présence du réseau.Nous démontrons aussi que l'HREELS est une technique de choix pour l'étude de l'adsorption d'hydrogène sur graphène, et l'étude de l'interaction d'un plan de graphène sur un substrat, ici le SiC. En effet l'adsorption (réversible) d'atomes d'hydrogène sur du graphène permet à l'HREELS d'être sensible sous le plan de graphène. / We study by IPES, UPS and XPS the adsorption of fullerene on two silicon-rich reconstructions of 6H-SiC(0001). We show that adsorption of C60 on the (3*3) is singular and defines a new bonding type between C60 and a substrate: covalent bond accompanied by the desorption of molecules and the reconstruction's recovery. Our experiments shed a new light on the Si-C60 bounding complexity and provide new insights.By combining low photon energy ARPES and DFT on a monolayer of ZnPc on Ag(110), we provide a direct evidence that the "surface Umklapp'" effect is effective for long-range ordered organic films. Namely, the photoelectrons escape conditions are modified by the bare presence of the molecular lattice.We show that HREELS is a convenient tool to investigate the adsorption of hydrogen on graphene and the interaction of graphene with a substrate, SiC in our study. Indeed, the reversible adsorption of hydrogen on graphene permits the HREELS to gain sensitivity below the graphene layer.

Ce mémoire de thèse porte sur l'étude de la réactivité induite par les électrons de basse énergie (0-20 eV) dans les systèmes condensés. Ces électrons induisent dans ces systèmes la formation de fragments réactifs pouvant ensuite initier des réactions soit avec le substrat : c'est la fonctionnalisation de la surface, soit au sein même du film, ce qui conduit à la synthèse de nouvelles molécules. La première partie traite de la caractérisation et de la fonctionnalisation par des groupements organiques de la surface de diamant hydrogéné polycristallin. Il est en particulier montré que les électrons peuvent induire la chimisorption de groupements (CH2CN) après l'irradiation de deux monocouches d'acétonitrile CH3CN condensées sur le diamant, suivant une réaction, résonante à 2 eV pour laquelle un mécanisme est proposé. Cette étude ouvre ainsi la voie à l'utilisation des électrons de basse énergie comme vecteur de la fonctionnalisation contrôlée des surfaces. La deuxième partie concerne l'étude de la synthèse induite dans les glaces à basse température. Il est montré la formation de CO2 à partir de différents acides carboxyliques, ainsi que la synthèse de molécules plus complexes, comme l'acide aminé glycine à partir du film mixte CH3COOH:NH3 ou l'acide carbamique à partir du mélange CO2:NH3. Dans ces deux cas, un mécanisme de réaction est proposé. Cette étude montre que les électrons de basse énergie, présents en grand nombre en tant qu'électrons secondaires dans tout système condensé sous rayonnement ionisant (glaces interstellaires ou stratosphériques) peuvent jouer un rôle dans la chimie de ces milieux, en particulier dans la chimie prébiotique du milieu interstellaire.

Les mono-couches auto-assemblées (SAMs) sont des systèmes de choix pour le développement de plateformes moléculaires aux propriétés physico-chimiques contrôlées. Il s’agit de monocouches organisées de molécules bi-fonctionnelles. Ces molécules se composent d’une fonction terminale modulable, séparée d’un groupement d’ancrage par un espaceur adapté. Ainsi, les propriétés des SAMs peuvent être ajustées pour le développement de systèmes électroniques moléculaires ou de capteurs (bio)-chimiques. De plus, des structurations chimiques supplémentaires peuvent être induites par irradiation.Les méthodes d’irradiation les plus courantes impliquent des particules de haute énergie. Les dommages induits résultent de plusieurs mécanismes en compétition (ionisations, excitations, dissociations). Dans cette thèse, les électrons lents (0-20 eV) sont utilisés comme particules primaires, et les processus d’interaction électron-SAM sont étudiés afin d’identifier les résonances d’attachement électronique. Aux énergies concernées, des processus dissociatifs sélectifs et efficaces peuvent être mis à profit pour proposer des stratégies d’irradiation menant à des modifications chimiques contrôlées et optimisées.Des SAMs modèles de thiols sur or sont étudiées par une technique de spectroscopie vibrationnelle de forte sensibilité de surface, la spectroscopie de perte d’énergie d’électrons lents (HREELS). Elle permet à la fois de caractériser les SAMs et de sonder les processus d'interaction électron-molécule. Les résultats obtenus concernent les : 1) SAMs aromatiques modèles de terphénylthiol (HS-(C₆H₄)₂-C₆H₅), stabilisables par réticulation sous irradiation. Une caractérisation vibrationnelle poussée de la SAM avant et après irradiation, en portant une attention particulière au comportement des modes d’élongation ν(CH), a permis d’opposer les processus de réactivité induite à 1, 6 et 50 eV.2) SAMs d’acide mercaptoundécanoïque (HS-(CH₂)₁ ₀ -COOH), les fonctions acides terminales permettant par exemple le greffage de peptides. L’interface SAM / environnement (COO-/COOH, eau résiduelle) a été caractérisée grâce à la forte sensibilité des modes d’élongation ν(OH) aux liaisons hydrogène. La démarche mise en place peut être facilement transposée à d’autres systèmes. / Self-Assembled Monolayers (SAMs) are good candidates to develop molecular platforms with controlled physico-chemical properties. A SAM is an ordered monolayer of bi-functionnal molecules. These molecules consist of an adjustable terminal function, separated from a headgroup by a chosen spacer chain. Thus, SAMs properties can be adjusted for the development of molecular electronic systems or (bio)-chemical sensors. Furthermore, additional chemical structuration can be induced by irradiation.Most current methods of irradiation involve high energy particles. The induced damages result from several competitive mechanisms (ionisations, excitations, dissociations). In this thesis, low energy electrons (0-20 eV) are used as primary particles, and the interaction processes between electrons and SAMs are studied in order to identify electron attachment resonances. At the associated energies, selective and effective dissociative processes can be induced to propose irradiation strategies leading to controlled and optimized chemical modifications.Model SAMs of thiols on gold are studied by a vibrational spectroscopy technique of strong surface sensibility, high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS). It allows at the same time to characterize SAMs and to probe electron-molecule interaction processes. The result obtained deal with : 1) Aromatic model SAMs of Terphenyl-thiol (HS-(C₆H₄)₂-C₆H₅), which can be stabilized by cross-linking under irradiation. Induced reactive processes at 1, 6 and 50 eV were compared and opposed, thanks to an advanced vibrational characterization of the SAM before and after irradiation, and by paying a particular attention to the stretching mode ν(CH) behaviour.2) Mercaptoundecanoic acid SAMs (HS-(CH₂)₁ ₀ -COOH), whose terminal functions allow for example the peptide anchoring. The interface SAM / environment (COO-/COOH, residual water) was characterized thanks to the strong sensitivity of the stretching modes ν(OH) to hydrogen bonding. The approach that was developped can be easily transposed to other systems.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse portent sur la dynamique quantique de diffusion d'atomes d'hydrogène sur une surface de palladium (111). L'étude du système 3D a permis de détailler le spectre infrarouge de H/Pd(111) en mettant en évidence l'existence sur différents sites d'adsorption d'états localisés fortement couplés (résonance de Fermi). Ce phénomène gouverne la diffusion des atomes d'hydrogène sur une échelle de temps ultra-rapide (fs).L'étude du système 6D (H2/Pd(111)) a montré que les transitions observées sont, en fait, des bandes de transition entre plusieurs états d'adsorption quasi-dégénérés. L'accord entre les valeurs calculées et mesurées est, par contre, significativement moins bon qu'entre celles calculées pour le système 3D et les données mesurées. Est-ce que l'hydrogène adsorbé sur le palladium existe sous la forme d'une molécule diatomique faiblement lié? Cette thèse a fourni certains éléments de réponse à cette question, qui reste cependant encore ouverte. / The work carried out during this thesis focuses on the quantum dynamics of the diffusion of hydrogen atoms on a surface of palladium (111). The study of the 3D system allowed us to detail the infrared spectrum of H/Pd (111), showing the existence of different adsorption sites on which localized states exist that are strongly coupled (Fermi resonance). This phenomenon governs the diffusion of hydrogen atoms in an ultra-fast time scale (fs).The study of the (6D) H2/Pd(111) system has shown that the transitions observed are in fact transition bands between several quasi-degenerate adsorption states. The agreement between the calculated and measured values is significantly less good than that between the data calculated for the 3D system and the measured data. Does adsorbed hydrogen on palladium exist in the form of a weakly bound H2 molecule? This thesis has provided some answers to this question, which remains open, hovewer, to some extent.