Black carbon (BC) is a complex mixture of polycondensed aromatic compounds produced by the incomplete combustion of biomass during events such as wildfires and the burning of fossil fuels. Black carbon was initially considered to be a refractory form of organic matter. However, recent studies have shown that BC can be quite mobile and reactive in the terrestrial environment. Black carbon can be translocated from soils and sediments in the form of dissolved BC (DBC). A global correlation between DBC and bulk dissolved organic carbon (DOC) has been established for fluvial systems where DBC comprises approximately 10% of the total DOC pool, which suggests that DBC may be a significant contributor to the global carbon cycle. The primary objective of this thesis was to further characterize DBC and elucidate some of the specific physical and chemical processes that promote its transfer to the aqueous phase and drive the DBC-DOC relationship. The molecular composition and qualitative distribution of DBC was assessed using Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry. Black carbon in both dissolved and particulate (PBC) phases was quantified by the benzenepolycarboxylic acid method. Dissolved BC was found to contain considerable amounts of nitrogen and the export of this dissolved black nitrogen was linked to watershed land use in global rivers. The riverine flux of PBC, a previously unstudied BC removal mechanism, was significantly increased by local wildfire activity. However in-stream DBC did not appear to be affected by short-term fire events. Once translocated to surface waters, DBC is susceptible to photodegradative processes. Dissolved BC in high molecular weight DOC fractions was more photoreactive than DBC associated with lower molecular weight fractions. In the coming decades, wildfire frequency is expected to increase with climate change and natural lands will continue to be altered for anthropogenic use. These processes have already been shown to significantly impact the composition of DOC and associated DBC exported to inland waters. The quality of DBC influences its stability in soil and resistance to degradation. Therefore, it is essential that we aim to fully understand DBC dynamics in natural systems in order to assess its contribution to global carbon cycling.

Tato práce se zabývá charakterizací topologického izolátoru Bi2Te3, materiálu s nevodivými stavy v objemu, ale jedním vodivým pásem na povrchu. Tento materiál je zkoumán již přes 60 let, ale i přes to není jeho objemová pásová struktura úplně objasněna, obzvláště charakter zakázaného pásu je stále předmětem diskuze. V této práci jsou prezentovány výsledky infračervené spektroskopie na Landauových hladinách v magnetickém poli až do 34 T, doplněné elipsometrickým měřením mimo magnetické pole. Výsledky těchto měření by měli pomoci vyjasnit některé vlastnosti zakázaného pásu. Pozorovaná optická odezva odpovídá polovodiči s přímým zakázaným pásem, ve kterém se nosiče náboje chovají jako Diracovské hmotné fermiony. Šířka zakázaného pásu za nízkých teplot byla určena jako Eg = (175±5) meV a samotný zakázaný pás se nachází mimo trigonální osu, tím pádem se v první Brillouinově zoně vyskytuje 6 krát nebo 12 krát.

This master’s thesis deals with the modelling of electronic properties of graphite crystal, which are measurable using a spectrometer based on high frequency electron paramagnetic resonance (HFEPR for short) located in laboratories of CEITEC BUT. This is especially the band structure of graphite and its Landau levels. The theoretical part of the thesis describes key effects and connections from quantum mechanics and definitions of important terms from solid state physics, which are used to describe the crystalline structure of graphite and its electronic properties. Furthermore, the project describes the HFEPR spectrometer and its functional principle. In the practical part of the thesis, there are numerical models of the band structure of graphite and of its Landau levels and description of the preparation of a graphite sample for measurement. At the end of the practical part there is the analysis of measurements results, namely the cyclotron resonance and Shubnikov-de Haas oscillations, thanks to which it is possible to determine physical parameters of the sample, such as effective mass of charge carriers and fundamental frequency.

Beryllium-7 (Be-7) only decays by electron capture into lithium-7 (Li-7) with a half life of 53 days. We study the effect of ionization on this decay rate. We do so by trapping a Be-7 ion plasma in a cylindrical Malmberg-Penning trap and measuring Be-7 and Li-7 concentrations as functions of time by using Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTICR-MS). We have simulated these signals in a 2-dimensional electrostatic particle-in-cell (PIC) code. The two spectrum peaks merge at high ion densities whereas at low ion densities they can be resolved. The merged peak shifts linearly according to the relative abundances of these species. We have also simulated singly-ionized beryllium-7 hydride (BeH+) and Li-7 ion plasmas at high densities. These two separate peaks shift according to their relative abundances. We describe an analytical model that explains how these peaks shift.

Many Best Management Practices (BMPs) have been developed to reduce excessive nutrients in stormwater runoff and mitigate harmful algal blooms in downstream receiving water bodies. This study demonstrates a new BMP by comparing two green sorption media (i.e., specialty adsorbents) for nutrient removal in cascade upflow biofiltration systems operated in parallel. The proposed filtration technology can control hydraulic gradients, prevent clogging and settlements, and increase hydraulic loading while removing more nutrients in an integrated physicochemical and microbiological treatment process. The two green sorption media being tested in this study include zero-valent-iron and perlite-based green sorption media (ZIPGEM) and biochar, iron, and perlite-integrated green sorption media (BIPGEM). BIPGEM or ZIPGEM was installed in two identical upflow bioreactors operated in sequence within each biofiltration system compared mainly for nitrate removal at three influent conditions for process reliability assessment. In addition, kinetics studies were conducted and analyzed to improve the understanding of reactor design. Dissolved organic nitrogen was monitored by using FT-ICR MS (Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometer) whereas population dynamics of nitrifiers and denitrifiers were quantified by using RT-PCR (real time polymerase chain reaction). The process reliability was compared and confirmed based on the nitrate removal efficiencies, microbial population, and oxidation-reduction potential variations across the two biofiltration systems with different green sorption media. Results indicated that ZIPGEM performed slightly better than BIPGEM and the two identical upflow bioreactors operated in sequence within each biofiltration system exhibited steady operation with higher hydraulic loading relative to the downflow settings in the literature.

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Heutzutage ist die Entwicklung neuer Technologien stark auf die Miniaturisierung und die Herstellung von Materialien im Nanometer-Bereich und deren Charakterisierung ausgerichtet. Besonders interessant sind Informationen über hergestellte "sandwich" Strukturen betreffs Art und Anzahl der Schichten, Dicke der Schichten und deren chemische Zusammensetzung. Die chemischen Informationen von den Proben sind sowohl nahe der Oberfläche als auch in tiefer liegenden Schichten (vergrabene Schichten) von Interesse. Da die üblichen Tiefenprofilverfahren durch das Auftreten von ionenstrahlinduzierten Probenschädigungen hier versagen, sind zerstörungsfreie Untersuchungen der Probenstruktur von Bedeutung. Winkelaufgelöste Röntgenphotoemissionsspektroskopie (ARXPS) ist eines der Verfahren, die ohne Beschädigung der Schichtstruktur der untersuchten Materialen Informationen über dünne Gebiete der Probe liefert. Die Charakterisierung der Probe basiert auf der Analyse der austretenden Photoelektronen unter verschiedenen Austrittswinkeln, weil damit die effektive Informationstiefe durch Analyse von Photoelektronenstrom aus verschiedenen Tiefen verändert wird. Die Untersuchungstiefe bei diesem Verfahren ist maximal ~10 nm. Aus dem ARXPS-Verfahren ist nur eine indirekte Information zu erhalten. Deshalb braucht man ein Werkzeug, mit dem die untersuchten Proben mit Hilfe von mathematischen Modellen quantitativ beschrieben werden können. In der vorliegenden Doktorarbeit wird gezeigt, dass die ARXPS-Modellrechnung unter bestimmten Voraussetzungen eine sinnvolle Methode zur Analyse von dünnen Barriere-, Oxid- und Segregationsschichtsystemen ist. Die Quantifizierung der ARXPS-Daten ist nur dann erfolgreich, wenn nicht nur der Einfluss der Abklinglänge der Photoelektronen berücksichtigt wird, sondern auch der Einfluss der mittleren Atomvolumina der Matrix in geeigneter Schichten und der korrigierten Empfindlichkeitsfaktoren berücksichtigt wird. Die Anpassung zwischen experimentellen und berechneten Daten verläuft unter Verwendung bestimmter Rand- und Grenzbedingungen durch Anwendung mathematischer Methoden gleichzeitig für alle betrachtete Winkel. Das Verhalten der ARXPS-Modellrechnung wurde unter verschiedenen Bedingungen überprüft. Zu diesem Zweck wurde eine theoretische Struktur simuliert, deren Verhalten (berechnete Schichtdicken, Bedeckungsgrad der Oberfläche mit der Kontamination, chemische Zusammensetzung der Schichten) untersucht wurde hinsichtlich der Einflüsse von verschiedener Dicken, von Rauhigkeiten an der Probeoberfläche, der Art der Kontamination an der Oberfläche die aus der ex situ Präparation resultiert, und der "Qualität" der betrachteten Information während der Quantifizierung (Peak-Fit Prozeduren). Zur Demonstration der Möglichkeiten der Modellrechnung wurden zwei Systeme untersucht. Das erste Schichtsystem Co/Al2O3/Al enthält eine dünne vergrabene Aluminiumoxid-Barriere, die durch Plasma-Oxidation mit Electron Cyclotron Resonance (ECR) bei unterschiedlichen Oxidationszeiten hergestellt wurde. Die Modellierung der Proben mit der ARXPS-Modellrechnung ergibt unterschiedliche Dicken von Al2O3, die mit der Zeit der Oxidation korrelieren. Je größer die Oxidationszeit ist, desto dickere Aluminiumoxidschichten bilden sich. Die Untersuchung der Alterungsprozesse an den ECR-Proben ergibt, dass die Dicke der Aluminiumoxide nicht beeinflusst wurde. Das bestätigt, dass die Co-Schicht erfolgreich Al2O3 vor weiterer Oxidation schützt. Das zweite Beispiel betrifft eine S/Fe Struktur, die während der Wärmebehandlung durch Schwefel-Segregation auf einer Fe(100)-Oberfläche entstanden ist. Mit Hilfe der ARXPS-Modellrechnung kann der Bedeckungsgrad mit dem Schwefel der Fe- Oberfläche berechnet werden. Um die Ergebnisse der Modellierung zu verifizieren, wurden die ausgewählten Strukturen mit anderen Methoden (z.B.: TEM, EELS, XRR) untersucht.

PIXE (Particle Induced X-ray Emission) et PIGE (Particle Induced Gamma-ray Emission) sont des méthodes d’analyse par faisceau d’ions, multiélémentaires et non destructives. Elles sont basées sur la détection des rayons X et gamma caractéristiques émis suite à l’interaction de particules chargées avec la matière. La méthode PIXE permet de quantifier les éléments de numéro atomique Z>11 avec une limite de détection au niveau du μg/g (ppm). Les rayons X émis par les éléments légers (Z<11) sont fortement atténués par la matière, limitant la sensibilité de PIXE pour cette gamme de numéro atomique. Ces éléments peuvent légers être analysés, simultanément, par la méthode PIGE. Un des nombreux avantages de la méthode PIXE/PIGE est sa capacité à pouvoir effectuer différentes analyses (cartographie des concentrations, analyse en profondeur, objets précieux). Il est possible d’analyser des échantillons aussi bien homogènes que non homogènes. La méthode PIXE à haute énergie a été développée au cyclotron ARRONAX avec des faisceaux de particules pouvant atteindre 70 MeV. La technique PIXE à haute énergie permet, notamment, l’analyse d’échantillons épais et limite les risques d’endommagement. Premièrement la plateforme PIXE/PIGE à haute énergie est décrite. Ensuite une étude de la méthode PIGE à haute énergie ainsi que la mise en place d’un protocole de mesure de sections efficaces sont présentées. Pour finir les méthodes mises en place ainsi que les résultats obtenus lors de l’analyse de plusieurs types d’échantillons non homogènes (multicouches et granulaires) sont présentés et discutés. / Particle Induced X-ray Emission (PIXE) and Particle Induced Gamma-ray Emission (PIGE) are multi-elemental and non-destructives techniques. They are based on the detection of characteristic X-ray and gamma emission induced by the interaction of accelerated charged particles with matter. Elements with an atomic number Z> 11 can be quantified reaching a limit of detection in the order of μg/g (ppm). X-rays from light elements are strongly attenuate by matter. Therefore, PIXE shows little sensitivity for lights elements. Those elements are analyzed simultaneously using PIGE. One of the benefits of PIXE/PIGE is its ability to perform analysis with different requirement (elemental concentration mapping, in-depth analysis, valuable objects). Homogeneous and non-homogenous samples can be studied thanks to PIXE/PIGE. High energy PIXE (HEPIXE) has been developed at the ARRONAX cyclotron using particles beams up to 70 MeV. Thus analysis of thick samples is achievable using HEPIXE. Using high energy beams can also reduce the risk of damaging the sample. First of all, the high energy PIXE/PIGE platform develop at ARRONAX is described. Then the results given by high energy PIGE analysis and the experimental procedure for gamma emission cross section measurements are discussed. Finally, the methods developed and the results obtained during the analysis of inhomogeneous samples (multi-layer and granular samples) are presented and discussed.

Heutzutage ist die Entwicklung neuer Technologien stark auf die Miniaturisierung und die Herstellung von Materialien im Nanometer-Bereich und deren Charakterisierung ausgerichtet. Besonders interessant sind Informationen über hergestellte &amp;quot;sandwich&amp;quot; Strukturen betreffs Art und Anzahl der Schichten, Dicke der Schichten und deren chemische Zusammensetzung. Die chemischen Informationen von den Proben sind sowohl nahe der Oberfläche als auch in tiefer liegenden Schichten (vergrabene Schichten) von Interesse. Da die üblichen Tiefenprofilverfahren durch das Auftreten von ionenstrahlinduzierten Probenschädigungen hier versagen, sind zerstörungsfreie Untersuchungen der Probenstruktur von Bedeutung. Winkelaufgelöste Röntgenphotoemissionsspektroskopie (ARXPS) ist eines der Verfahren, die ohne Beschädigung der Schichtstruktur der untersuchten Materialen Informationen über dünne Gebiete der Probe liefert. Die Charakterisierung der Probe basiert auf der Analyse der austretenden Photoelektronen unter verschiedenen Austrittswinkeln, weil damit die effektive Informationstiefe durch Analyse von Photoelektronenstrom aus verschiedenen Tiefen verändert wird. Die Untersuchungstiefe bei diesem Verfahren ist maximal ~10 nm. Aus dem ARXPS-Verfahren ist nur eine indirekte Information zu erhalten. Deshalb braucht man ein Werkzeug, mit dem die untersuchten Proben mit Hilfe von mathematischen Modellen quantitativ beschrieben werden können. In der vorliegenden Doktorarbeit wird gezeigt, dass die ARXPS-Modellrechnung unter bestimmten Voraussetzungen eine sinnvolle Methode zur Analyse von dünnen Barriere-, Oxid- und Segregationsschichtsystemen ist. Die Quantifizierung der ARXPS-Daten ist nur dann erfolgreich, wenn nicht nur der Einfluss der Abklinglänge der Photoelektronen berücksichtigt wird, sondern auch der Einfluss der mittleren Atomvolumina der Matrix in geeigneter Schichten und der korrigierten Empfindlichkeitsfaktoren berücksichtigt wird. Die Anpassung zwischen experimentellen und berechneten Daten verläuft unter Verwendung bestimmter Rand- und Grenzbedingungen durch Anwendung mathematischer Methoden gleichzeitig für alle betrachtete Winkel. Das Verhalten der ARXPS-Modellrechnung wurde unter verschiedenen Bedingungen überprüft. Zu diesem Zweck wurde eine theoretische Struktur simuliert, deren Verhalten (berechnete Schichtdicken, Bedeckungsgrad der Oberfläche mit der Kontamination, chemische Zusammensetzung der Schichten) untersucht wurde hinsichtlich der Einflüsse von verschiedener Dicken, von Rauhigkeiten an der Probeoberfläche, der Art der Kontamination an der Oberfläche die aus der ex situ Präparation resultiert, und der &amp;quot;Qualität&amp;quot; der betrachteten Information während der Quantifizierung (Peak-Fit Prozeduren). Zur Demonstration der Möglichkeiten der Modellrechnung wurden zwei Systeme untersucht. Das erste Schichtsystem Co/Al2O3/Al enthält eine dünne vergrabene Aluminiumoxid-Barriere, die durch Plasma-Oxidation mit Electron Cyclotron Resonance (ECR) bei unterschiedlichen Oxidationszeiten hergestellt wurde. Die Modellierung der Proben mit der ARXPS-Modellrechnung ergibt unterschiedliche Dicken von Al2O3, die mit der Zeit der Oxidation korrelieren. Je größer die Oxidationszeit ist, desto dickere Aluminiumoxidschichten bilden sich. Die Untersuchung der Alterungsprozesse an den ECR-Proben ergibt, dass die Dicke der Aluminiumoxide nicht beeinflusst wurde. Das bestätigt, dass die Co-Schicht erfolgreich Al2O3 vor weiterer Oxidation schützt. Das zweite Beispiel betrifft eine S/Fe Struktur, die während der Wärmebehandlung durch Schwefel-Segregation auf einer Fe(100)-Oberfläche entstanden ist. Mit Hilfe der ARXPS-Modellrechnung kann der Bedeckungsgrad mit dem Schwefel der Fe- Oberfläche berechnet werden. Um die Ergebnisse der Modellierung zu verifizieren, wurden die ausgewählten Strukturen mit anderen Methoden (z.B.: TEM, EELS, XRR) untersucht.

Ce travail de thèse a été réalisé au Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3) deGrenoble en collaboration avec le groupe Thalès avec pour objectif le développement d’une nouvellegénération de plasmas micro-onde fonctionnant sur une gamme de pression étendue allant de 0,5 mtorrà 10 torr en argon. La travail présenté porte donc en : i) la conception des applicateurs basés sur destronçons de longueur λ/4 faisant office de transformateurs d’impédance entre le générateur et leplasma d’impédance supposée donnée (adaptation d’impédance approchée); ii) la déterminationexpérimentale de l’impédance réelle du plasma (partie réelle et partie imaginaire) par mesure dumodule et de la phase du coefficient de réflexion dans des conditions opératoires définies; iii) leredimensionnement des différents tronçons de l’applicateur par simulation numérique en tenantcompte de l’impédance réelle du plasma; iv) la validation expérimentale de l’adaptation d’impédanceentre générateur et plasma. Les résultats obtenus démontrent clairement qu’il est possible, à fréquencedonnée (2.45 GHz dans le cas présent), de concevoir et de dimensionner une source plasma avec uneefficacité énergétique supérieure à 80% pour des fenêtres en pression (d’au moins une décade)équivalentes à des fenêtres opératoires en termes de paramètres plasma. Ces sources individuelles àabsorption localisée de micro-ondes peuvent être utilisées en nombre pour la réalisation des plasmasuniformes de grandes dimensions par leur distribution selon des réseaux à deux dimensions (sourcesplanes) ou à trois dimensions (volumes de plasma), et donc pour des applications industrielles auxtraitements de surface. / This work was done in the « Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie (IN2P3,Grenoble) » during a collaboration with Thales. The aim of the project was the development of a newgeneration of microwave plasma with extended operating conditions in the pressure range 0.5 mtorr to10 torr in argon. The presented work consists of: i) designing applicators based on sections of λ/4length serving as impedance transformers between the generator and the plasma with impedance ofgiven assumed value (approximate impedance adaptation); ii) experimentally determine the realplasma impedance (the real part and the imaginary part) for given operating conditions from themeasurement of modulus and phase of the reflection coefficient S11; iii) resize the different sections ofthe applicator by digital simulation taking the real plasma impedance into account; iv) finally, verifyexperimentally that the impedance adaptation between the generator and the plasma is correct. Theobtained results clearly demonstrate that it is possible, at a given frequency (here 2.45 GHz), to designand size a plasma source with an efficiency greater than 80 % for a window in pressure (at least onedecade) equivalent to an operating window in terms of plasma parameters. These individual sourceswith localized absorption of microwaves can be used in numbers to achieve uniform plasmas via theirdistribution over two-dimensional (planar sources) or tri-dimensional (volume plasma) networks, andthus for industrial surface treatments.