<p>This thesis presents studies of the X-ray linear dichroism (XLD) in individual single-walled (SW) and multi-walled (MW) carbon nanotubes (CNT) measured by a scanning transmission X-ray microscope (STXM). The C 1s spectra of CNT showed a large XLD at the C 1s→π* transition. The magnitude of the XLD was found to be related to the quality of CNT such that in high quality CNT, it was fairly large and as the quality lowered it decreased. This dichroic effect was used to map defects along individual CNT. In addition, STXM was employed to map chemical components in pristine, purified, and dodecyl functionalized SWCNT bundles to investigate the changes occurring in them due to chemical functionalization.<br />STXM has limited spatial resolution. Thus, electron energy loss spectroscopy (EELS) in a transmission electron microscope (TEM) was used to obtain similar information about CNT, but at much higher spatial resolution. The measurements performed in the scanning transmission electron microscopy (STEM) mode produced signals analogous to the XLD when the orientation of the momentum transfer (q) was resolved. This was achieved by displacing the pattern of electron scattering from CNT relative to the EELS entrance aperture. TEM-EELS was also utilized to map defects in pristine and focused ion beam (FIB) modified CNT.</p> / Doctor of Philosophy (PhD)

This work presents a joint theoretical and experimental investigation of the electronic structure of quasi one-dimensional cuprates and vanadates. Electron energy-loss spectroscopy in transmission was employed to measure the momentum-dependent loss function of Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 and NaV2O5. The comparison between the experimental data and the results from bandstructure as well as cluster calculations allows an explanation of the mobility and correlations of the electrons in these systems. The investigation of the electronic structure of the structurally related cuprates Li2CuO2 and CuGeO3 is exemplary for the study of the transition from a quasi zero-dimensional to a quasi one-dimensional system. In contrast to Li2CuO2 where the electron transitions are strongly localized, the excited states in CuGeO3 can be assigned to the electron hopping to the nearest-neighboured CuO4 plaquettes. The shift of spectral weight from the high energy to the low energy region with increasing coupling between the plaquettes, observed in edge-sharing CuO2 chains, is confirmed by the applied cluster modell. The momentum dependent loss functions of NaV2O5 deliver information about the mobility and correlations of electrons in a quarter-filled ladder system which determine the transition from the charge ordered state into the unordered state at 34 K. Thcontributions of the 3d electrons to the EELS spectra of NaV2O5 are filtered by comparing these spectra with the loss functions of the structurally related V2O5 (d0 configuration). For NaV2O5 the picture of linear chains of V-O-V rungs containing a single d electron in a molecular orbital-like state is confirmed. The comparison of the experimentally determined optical conductivities and those derived from the bandstructrure calculations yield a good agreement upon adoption of an on-site Coulomb interaction U = 2-3 eV. In contrast to the strongly anisotropic hopping within the ladder plane the intersite Coulomb interactions V are about the same size. These interactions are the driving force for the transition from an unordered state at room temperature into a zigzag ordered state observed at low temperatures. / In einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden wurden in dieser Arbeit die Elektronenstrukturen von quasi-eindimensionalen Kupraten und Vanadaten untersucht. Dazu wurde die impulsabhängige Verlustfunktion mit Hilfe der Elektronen-Energieverlustspektroskopie in Transmission an Einkristallen von Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 und NaV2O5 gemessen. Der Vergleich der experimentellen Daten mit Ergebnissen aus Bandstruktur- und Cluster-Rechnungen erlaubte Rückschlüsse auf die Beweglichkeit und Korrelationen der Elektronen in diesen Systemen. Die Untersuchung der elektronischen Anregungen in den strukturell sehr ähnlichen Kupraten Li2CuO2 und CuGeO3 ist beispielhaft für das Studium des Übergangs von einem quasi-nulldimensionalen zu einem quasi-eindimensionalen System. In Li2CuO2 finden die elektronischen Übergänge vorwiegend lokal auf der CuO4-Plakette statt. Dagegen findet man in CuGeO3 angeregte Zustände, die als das Hüpfen der Elektronen auf benachbarte Plaketten interpretiert werden können. Das angewandte Cluster-Modell bestätigt für eine zunehmende Kopplung zwischen den Plaketten die in eckenverbundenen Kupratketten beobachtete Verschiebung des spektralen Gewichts vom hoch- zum niederenergetischen Bereich. Die Verlustfunktionen von NaV2O5 liefern wertvolle Informationen über die Freiheitsgrade und Korrelationen der Elektronen in einem viertelgefüllten Leitersystem, die wesentlich den Phasenübergang zwischen geordneter und ungeordneter Ladung bei 34 K bestimmen. Die Beiträge der 3d-Elektronen von NaV2O5 zu den EELS-Spektren konnten durch eine vergleichende Studie der Verlustfunktionen des strukturell verwandten V2O5, das keine d-Elektronen besitzt, separiert werden. Die Beschreibbarkeit der Elektronenstruktur in NaV2O5 durch ein effektives Modell einfach besetzter, molekülähnlicher V-O-V-Sprossen wird bestätigt. Die Coulomb-Wechselwirkung U kann in diesem Modell auf den Wertebereich zwischen 2 und 3 eV eingeschränkt werden. Im Gegensatz zu den stark anisotropen Hüpfwahrscheinlichkeiten in der Leiterebene sind die Coulomb-Wechselwirkungen V zwischen Elektronen auf benachbarten Vanadiumplätzen nahezu von gleicher Größe. Diese Wechselwirkungen sind die treibende Kraft für den Übergang von einem ungeordneten Zustand bei Raumtemperatur in einen zickzackgeordneten Grundzustand bei tiefen Temperaturen.

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.

Die fortwährende Verkleinerung der Strukturbreiten in der Mikroelektronik erfordert es, herkömmliche SiO2 Dielektrika durch Materialien mit kleinerer Dielektrizitätskonstante zu ersetzen. Dafür sind verschiedene „low-k Materialien“ entwickelt worden. Unter diesen sind die Organosilikatgläser, die aus SiO2 Netzwerken mit eingelagerten Methylgruppen bestehen wegen ihrer ausgezeichneten Eigenschaften besonders interessant als Dielektrika zwischen metallischen Leiterbahnen. In dieser Arbeit sind fünf verschiedene dieser „low-k Materialien“ untersucht worden: ein dichtes und vier poröse Materialien, die alle durch plasmagestützte chemische Gasphasenabscheidung hergestellt wurden. Die strukturellen, chemischen und dielektrischen Eigenschaften der Materialien wurden mit Hilfe der analytischen Durchstrahlungselektronenmikroskopie unter Verwendung eines abbildenden GATAN-Energiespektrometers untersucht. Die Bestimmung der radialen Verteilungsfunktion (RDF) zur Charakterisierung der atomaren Nahordnung ermöglicht uns die Ermittlung mittlerer Bindungslängen und – winkel sowie der mikroskopischen Dichte des Materials. Gegenüber SiO2 wurden in den untersuchten „low-k Materialien“ stark veränderte mittlere Si-O, O-O und Si-Si Bindungslängen gefunden. Dieses wirkt sich natürlich auch auf die mittleren Si-O-Si bzw. O-Si-O Bindungswinkel aus, und wie erwartet war auch die mikroskopische Dichte der „low-k Materialien“ kleiner als die Dichte des SiO2. Elektronen Energieverlustspektroskopie (EELS) und Photoelektronenspektroskopie (XPS) wurden zur Charakterisierung der chemischen Umgebung der Atome in den „low-k Materialien“ herangezogen. Die Energien von Ionisationskanten und die Bindungsenergien der Silizium-2p und Sauerstoff-1s Elektronen waren in den „low-k Materialien“ größer als im SiO2. Die Kohlenstoffatome kamen in den „low-k Materialien“ sowohl sp2 als auch sp3 hybridisiert vor. sp2-Hybridisierung liegt vor, wenn Bindungen wie Si=CH2 und C=C im Netzwerk vorkommen, während sp3 Hybridisierung z.B. dann vorkommt, wenn freie Si-Bindungen durch –CH3 Gruppen abgesättigt werden. Die Anteile an sp2- bzw. sp3-hybridisierten Kohlenstoffatome wurden aus der Feinstruktur der K-Energieverlustkanten des Kohlenstoffs abgeschätzt. Das ergab, daß die meisten Kohlenstoffatome in den „low-k Materialien“ sp2-hybridisiert sind. Die dielektrischen Eigenschaften wurden durch Kramers-Kronig-Transformation einer Energieverlustfunktion ermittelt, die aus dem Niedrigverlust-EELS-Spektrum im Bereich der Plasmonenanregungen gewonnen wurde. Die Bandlücke des SiO2 beträgt ungefähr 9 eV während dichte „low-k Materialien“ aufgrund der Unregelmäßigkeiten in ihrem SiO2-Netzwerk zusätzliche Zustandsdichten innerhalb der Bandlücke aufweisen. Die Erzeugung von Poren im „low-k Material“ vermindert offenbar die Zustandsdichte im Bereich der Bandlücke und erweitert diese im Vergleich zum SiO2. Eine Modellrechnung mit der Dichtefunktionaltheorie für ein Strukturmodell, das den „low-k Materialien“ nahe kommt, ist zum Vergleich mit der experimentell gefundenen kombinierten Zustandsdichte herangezogen worden und zeigt eine gute Übereinstimmung. Die im Standard-Herstellungsprozeß vorkommenden Verfahren des Plasmaätzens und der Plasmaveraschung können die Struktur des „low-k Materials“ z.B. an den Seitenwänden von Ätzgräben verändern. Die gestörten Bereiche wurden mit der energiegefilterten Elektronenmikroskopie untersucht. Dabei wurde gefunden, daß sich die Strukturveränderungen der Seitenwände bis zu einer Tiefe in der Größenordnung von ungefähr 10 Nanometern erstrecken. Diese Bereiche sind verarmt an Kohlenstoff und ähneln folglich mehr einem SiO2-Dielektrikum. Die Kohlenstoffverarmung erstreckt sich in die „low-k Schicht“ in Form eines gaussartigen Profils mit maximaler Kohlenstoffkonzentration in der Mitte der Schicht. Die Sauerstoffkonzentration und die mikroskopische Dichte steigen in der Nähe der Seitenwände.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Elektronenenergieverlustspektroskopie an unterdotierten Kupratsupraleitern und Übergangsmetalldichalcogeniden. Nach einem kurzen Abriss über die der experimentellen Methode zugrundeliegenden theoretischen Tatsachen folgen zwei experimentelle Kapitel. Für das prototypische Kupratsystem Ca2-xNaxCuO2Cl2 wird für verschiedene Dotierungskonzentrationen zunächst die Entwicklung der Ladungstransferanregungen untersucht. Man findet eine substanzielle Umverteilung des spektralen Gewichtes, verbunden mit einem starken Einbruch der Dispersion dieser Anregungen. Beides wird im Rahmen der Wechselwirkung mit Spinfreiheitsgraden innerhalb der Kupfer-Sauerstoff-Ebene diskutiert. Anschliessend erfolgt die Diskussion einer ausschließlich für zehnprozentige Dotierung auftretenden Symmetriebrechung der optischen Antwortfunktion, für die verschiedene mögliche Szenarien vorgeschlagen werden. Im Kapitel über die Dichalcogenide liegt der Fokus auf dem Verhalten des Ladungsträgerplasmons, das für alle Substanzen dieser Gruppe mit Ladungsordnung eine negative Dispersion aufweist. Dieses Verhalten läßt sich durch in-situ Interkalation zusätzlicher Ladungstraeger umkehren, so dass man eine dotierungsabhängige Plasmonendispersion erhält. Es werden verschiedene Szenarien für dieses Verhalten diskutiert. / The present thesis describes electron energy-loss spectroscopy on underdoped cuprate superconductors and transition-metal dichalcogenides. After a brief introduction into the experimental method there are two experimental chapters. For the prototype cuprate system Ca2-xNaxCuO2Cl2 the behavior of the charge-transfer excitations is investigated as a function of doping. The observed substantial redistribution of spectral weight and the accompanying breakdown of their dispersion is discussed in terms of a coupling to the spin degrees of freedom within the copper-oxygen plane. For x=0.1 there is a pronounced symmetry breaking in the optical response function which is discussed in terms of different possible scenarios. The chapter on the dichalcogenides focuses on the properties of the charge-carrier plasmon which shows a negative dispersion for all representatives of this family exhibiting a charge-density wave instability. This behavior can be influenced by in-situ intercalation of additional charges, the result being a doping dependent plasmon dispersion. Several approaches to reconcile these findings are considered.

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This work presents a joint theoretical and experimental investigation of the electronic structure of quasi one-dimensional cuprates and vanadates. Electron energy-loss spectroscopy in transmission was employed to measure the momentum-dependent loss function of Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 and NaV2O5. The comparison between the experimental data and the results from bandstructure as well as cluster calculations allows an explanation of the mobility and correlations of the electrons in these systems. The investigation of the electronic structure of the structurally related cuprates Li2CuO2 and CuGeO3 is exemplary for the study of the transition from a quasi zero-dimensional to a quasi one-dimensional system. In contrast to Li2CuO2 where the electron transitions are strongly localized, the excited states in CuGeO3 can be assigned to the electron hopping to the nearest-neighboured CuO4 plaquettes. The shift of spectral weight from the high energy to the low energy region with increasing coupling between the plaquettes, observed in edge-sharing CuO2 chains, is confirmed by the applied cluster modell. The momentum dependent loss functions of NaV2O5 deliver information about the mobility and correlations of electrons in a quarter-filled ladder system which determine the transition from the charge ordered state into the unordered state at 34 K. Thcontributions of the 3d electrons to the EELS spectra of NaV2O5 are filtered by comparing these spectra with the loss functions of the structurally related V2O5 (d0 configuration). For NaV2O5 the picture of linear chains of V-O-V rungs containing a single d electron in a molecular orbital-like state is confirmed. The comparison of the experimentally determined optical conductivities and those derived from the bandstructrure calculations yield a good agreement upon adoption of an on-site Coulomb interaction U = 2-3 eV. In contrast to the strongly anisotropic hopping within the ladder plane the intersite Coulomb interactions V are about the same size. These interactions are the driving force for the transition from an unordered state at room temperature into a zigzag ordered state observed at low temperatures. / In einer Kombination aus experimentellen und theoretischen Methoden wurden in dieser Arbeit die Elektronenstrukturen von quasi-eindimensionalen Kupraten und Vanadaten untersucht. Dazu wurde die impulsabhängige Verlustfunktion mit Hilfe der Elektronen-Energieverlustspektroskopie in Transmission an Einkristallen von Li2CuO2, CuGeO3, V2O5 und NaV2O5 gemessen. Der Vergleich der experimentellen Daten mit Ergebnissen aus Bandstruktur- und Cluster-Rechnungen erlaubte Rückschlüsse auf die Beweglichkeit und Korrelationen der Elektronen in diesen Systemen. Die Untersuchung der elektronischen Anregungen in den strukturell sehr ähnlichen Kupraten Li2CuO2 und CuGeO3 ist beispielhaft für das Studium des Übergangs von einem quasi-nulldimensionalen zu einem quasi-eindimensionalen System. In Li2CuO2 finden die elektronischen Übergänge vorwiegend lokal auf der CuO4-Plakette statt. Dagegen findet man in CuGeO3 angeregte Zustände, die als das Hüpfen der Elektronen auf benachbarte Plaketten interpretiert werden können. Das angewandte Cluster-Modell bestätigt für eine zunehmende Kopplung zwischen den Plaketten die in eckenverbundenen Kupratketten beobachtete Verschiebung des spektralen Gewichts vom hoch- zum niederenergetischen Bereich. Die Verlustfunktionen von NaV2O5 liefern wertvolle Informationen über die Freiheitsgrade und Korrelationen der Elektronen in einem viertelgefüllten Leitersystem, die wesentlich den Phasenübergang zwischen geordneter und ungeordneter Ladung bei 34 K bestimmen. Die Beiträge der 3d-Elektronen von NaV2O5 zu den EELS-Spektren konnten durch eine vergleichende Studie der Verlustfunktionen des strukturell verwandten V2O5, das keine d-Elektronen besitzt, separiert werden. Die Beschreibbarkeit der Elektronenstruktur in NaV2O5 durch ein effektives Modell einfach besetzter, molekülähnlicher V-O-V-Sprossen wird bestätigt. Die Coulomb-Wechselwirkung U kann in diesem Modell auf den Wertebereich zwischen 2 und 3 eV eingeschränkt werden. Im Gegensatz zu den stark anisotropen Hüpfwahrscheinlichkeiten in der Leiterebene sind die Coulomb-Wechselwirkungen V zwischen Elektronen auf benachbarten Vanadiumplätzen nahezu von gleicher Größe. Diese Wechselwirkungen sind die treibende Kraft für den Übergang von einem ungeordneten Zustand bei Raumtemperatur in einen zickzackgeordneten Grundzustand bei tiefen Temperaturen.

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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 films de nitrures métalliques nanostructurés sont généralement utilisés comme revêtements protecteurs. Ti1-xAlxN (0 ≤ x ≤ 1) peut être considéré comme un système modèle, où TiN (cubique) et AIN (hexagonal) sont partiellement miscibles. L’élaboration par dépôt physique en phase vapeur donne au film une microstructure colonnaire complexe composée de phase métastable pouvant cohabiter avec des précipités localisés aux joints de grains. Une haute dureté et une grande résistance à l’oxydation sont observées pour un maximum d’atomes de Ti substitué par des atomes de Al en réseau cubique. Les conditions de dépôt et la composition jouent un rôle majeur sur la substitution des éléments métalliques (Ti ,Al). Nous avons préparé deux séries de films déposés par pulvérisation cathodique magnétron réactive à partir de cibles TiAl compartimentées et frittées. La micro- et nanostructure des films ont été analysées par Diffraction, Spectroscopie d’Absorption des rayons X et Microscopie Electronique à Transmission. L’usure des revêtements a été étudiée par microtribologie. Nous observons pour les films riches en Ti (x < 0,5) des directions de croissances [200]c et [111]c, caractéristiques d’un réseau cubique. Tandis que, les films riches en Al (x > 0,7) présentent une croissance de domaines bien cristallisés suivant la direction [002]h du réseau hexagonal. De plus, nous avons mis en évidence l’apparition de la transition cubique / hexagonal à des teneurs en Al plus élevée pour les films issus de cible frittée. Ces films montrent une meilleure résistance à la fissuration et à l’usure que ceux déposés à partir de cible compartimentées. / Ti1-xAlxN (0 ≤ x ≤ 1) is considered as a model system, where TiN (fcc) and AlN (hcp) do not mix over the whole composition range due to their low miscibility. However, the physical vapour deposition (PVD) allows achieving metastable phases of Ti1-xAlxN, where Al atoms are partially substituting for Ti in fcc lattice. Ti1-xAlxN coatings exhibit high hardness and oxidation resistance for the maximum Al substituted to Ti in fcc lattice (about x=0.6). The proportion of grain boundaries and the limit solubility play a major role on the mechanical properties and resistance to wear of the coatings. Several techniques are employed to investigate two sets of Ti1-xAlxN thin films deposited by magnetron reactive sputtering from two types of metallic targets onto Si (100). Lattice symmetry of crystallised domains and columnar growth structure of the films are characterized by X-ray diffraction (XRD) and electron microscopy (TEM, HRTEM). Several local probes such as X-ray absorption fine structure (XAFS), diffraction anomalous fine structure (DAFS) and Electron Energy Loss Spectroscopies (EELS) which are very sensitive to the symmetry of the atomic sites either octahedral for fcc lattice or tetrahedral for hcp one are carried out. For Ti-rich films (x < 0.5), the competitive growth of cubic domains between [200]c and [111]c is observed. For Al-rich films (x > 0.7) have a domain growth well crystallized in the direction [002]h the hexagonal lattice. In addition, the cubic / hexagonal transition in Al contents higher is observed for films from sintered target. These films show better wear resistance than those deposited from target compartmentalized.