This thesis is focused on the electronic, spin-dependent and dynamical properties of thin magnetic systems. Photoemission-related techniques are combined with synchrotron radiation to study the spin-dependent properties of these systems in the energy and time domains. In the first part of this thesis, the strength of electron correlation effects in the spin-dependent electronic structure of ferromagnetic bcc Fe(110) and hcp Co(0001) is investigated by means of spin- and angle-resolved photoemission spectroscopy. The experimental results are compared to theoretical calculations within the three-body scattering approximation and within the dynamical mean-field theory, together with one-step model calculations of the photoemission process. From this comparison it is demonstrated that the present state of the art many-body calculations, although improving the description of correlation effects in Fe and Co, give too small mass renormalizations and scattering rates thus demanding more refined many-body theories including nonlocal fluctuations. In the second part, it is shown in detail monitoring by photoelectron spectroscopy how graphene can be grown by chemical vapour deposition on the transition-metal surfaces Ni(111) and Co(0001) and intercalated by a monoatomic layer of Au. For both systems, a linear E(k) dispersion of massless Dirac fermions is observed in the graphene pi-band in the vicinity of the Fermi energy. Spin-resolved photoemission from the graphene pi-band shows that the ferromagnetic polarization of graphene/Ni(111) and graphene/Co(0001) is negligible and that graphene on Ni(111) is after intercalation of Au spin-orbit split by the Rashba effect. In the last part, a time-resolved x-ray magnetic circular dichroic-photoelectron emission microscopy study of a permalloy platelet comprising three cross-tie domain walls is presented. It is shown how a fast picosecond magnetic response in the precessional motion of the magnetization can be induced by means of a laser-excited photoswitch. From a comparision to micromagnetic calculations it is demonstrated that the relatively high precessional frequency observed in the experiments is directly linked to the nature of the vortex/antivortex dynamics and its response to the magnetic perturbation. This includes the time-dependent reversal of the vortex core polarization, a process which is beyond the limit of detection in the present experiments. / Diese Dissertation beschäftigt sich mit den elektronischen, spinabhängigen und dynamischen Eigenschaften dünner magnetischer Systeme. Auf dem Photoeffekt basierende Untersuchungsmethoden werden zusammen mit Synchrotronstrahlung eingesetzt, um die spinabhängigen Eigenschaften dieser Systeme im Energie- und Zeitbereich zu untersuchen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird mit spin- und winkelaufgelöster Photoemission die Stärke von Elektronenkorrelationseffekten in der spinabhängigen elektonischen Struktur von ferromagnetischerm bcc Fe(110) und hcp Co(0001) untersucht. Die experimentellen Ergebnisse werden verglichen mit theoreteischen Berechnungen im Rahmen der Näherung der Drei-Körper-Streuung und der dynamischen Molekularfeldtheorie, zusammen mit Berechnungen des Photoemissionsprozesses im Rahmen des Ein-Stufen-Modells. Ausgehend von diesem Vergleich wird gezeigt, dass die gegenwärtig fortgeschrittensten Rechnung, obgleich sie die Beschreibung von Korrelationseffekten in Fe und Co verbessern, zu kleine Massenrenormalisierungen und Streuraten ergeben, was zu der Forderung nach verfeinerten Vielteilchentheorien unter Einbeziehung von nichtlokalen Fluktuationen führt. Im zweiten Teil wird unter Kontrolle durch die Photoelektronenspektroskopie im Detail gezeigt, wie Graphen durch chemische Gasphasenabscheidung auf den Übergangsmetall-Oberflächen Ni(111) und Co(0001) aufgebracht und mit einer Monolage Au interkaliert werden kann. Für beide Systeme wird eine lineare E(k)-Dispersion masseloser Dirac-Fermionen im Graphen-pi-Band in der Nähe der Fermi-Energie beobachtet. Spinaufgelöste Photoemission des Graphen-pi-Bandes zeigt, dass die ferromagnetische Polarisation von Graphen/Ni(111) und Graphen/Co(0001) vernachlässigbar ist und dass Graphen/Ni(111) nach Interkalation mit Au eine Spin-Bahn-Aufspaltung aufgrund des Rashba-Effekts zeigt. Im letzten Teil wird eine zeitaufgelöste Studie des Röntgenzirkulardichroismus mit Photoelektronenmikroskopie präsentiert, die an einer Permalloy-Probe durchgeführt wurde, die drei als Stachelwände ausgebildete Domänenwände enthält. Es wird gezeigt, wie eine schnelle magnetische Antwort auf der Pikosekundenskala in der Präzessionsbewegung der Magnetisierung durch einen laserangesteuerten Photoschalter erzeugt werden kann. Durch Vergleich mit einer mikromagnetischen Rechnung wird gezeigt, dass die relativ hohe Präzessionsfrequenz, die im Experiment beobachtet wird, in unmittelbarer Beziehung steht zu den Eigenschaften der Vortex/Antivortex-Dynamik und ihrer Antwort auf die magnetische Störung. Das schließt die zeitabhängige Umkehr der Vortexkernpolarisation ein, einem Vorgang der jenseits der Nachweisgrenze der gegenwärtigen Experimente liegt.

This thesis contains two parts. The first part concerns the research work on free molecules using synchrotron-radiation-related techniques. Auger electron spectra of two free open-shell molecules, O2 and NO, were studied experimentally and theoretically. Photoionization experimental technique with tunable synchrotron radiation source was used to induce core-level electron ionization and obtain the KVV normal Auger electron spectra. A quantitative assignment of O2 normal Auger spectrum was obtained by applying ab initio CI calculations and LVI Auger line shape simulations including the bond length dependence of Auger transition rates. The photon energy dependence of normal Auger electron spectra was focused on with photon energies in the vicinities of core-ionization threshold energies. Consequently, the MAPCI (Molecular Auger Post Collision Interaction) theory was developed. Taking the near-threshold O2 normal Auger spectrum as an example, the two extreme cases of MAPCI effect, “atomic-like PCI” and “molecular PCI”, were discovered and discussed. The effect of shape resonance on near-threshold molecular normal Auger spectrum was discussed taking NO near threshold normal Auger spectra as example. The second part deals with research work on the chemisorption of small epoxy organic molecules, ethylene oxide, methyl oxirane, on Si (100) surfaces. Synchrotron radiation related techniques, UPS, XPS and NEXAFS, were applied. Based on the valence photoemission spectra, C 1s and Si 2p XPS spectra, the epoxy ring opening reactions of these molecules in chemisorption process were proved. Further tentative search for the surface-adsorbate CDAD effect was performed, and no evident circular dichroism was confirmed.

Les alliages à base de chrome sont couramment utilisés pour des applications à haute température. Leurs capacités à former une couche d'oxyde thermique protectrice permet de réduire les cinétiques d'oxydation de ces matériaux. En particulier, les alliages Ni-Cr et Fe-Cr forment une couche continue de α-Cr2O3 en surface. La durabilité du système métal/céramique résultant dépend de l'intégrité mécanique de cette couche, et donc des mécanismes d'endommagement susceptibles de se produire lors de l'oxydation ou du refroidissement. L'endommagement est étroitement corrélé au niveau de contraintes résiduelles dans l'oxyde mais aussi à sa microstructure. Dans ces travaux, des alliages Ni-30Cr et Fe-47Cr sont oxydés à l'air à 800, 900 et 1000°C et une approche multi-échelle est proposée pour analyser rigoureusement les contraintes résiduelles aussi bien à des échelles macroscopiques dans le film d'oxyde adhérent qu'à des échelles locales au travers de régions délaminées.A l'échelle macroscopique, les niveaux de contraintes résiduelles sont déterminés grâce à la diffraction des Rayons X conventionnelle et à la spectroscopie Raman. Les taux de délamination des couches d'oxyde et les phénomènes de fluage diffusionnel sont quantifiés en fonction de paramètres métallurgiques conduisant à différents états microstructuraux du système. L'influence de la compétition entre ces deux modes de relaxation de contrainte sur l'endommagement est discutée. A l'échelle microscopique, des cartographies de contraintes résiduelles au travers de différents types de délaminations sont réalisées grâce à la microspectroscopie Raman et à la microdiffraction Synchrotron. En raison de sa résolution latérale, la microspectroscopie Raman est particulièrement appropriée pour analyser les délaminations formées localement. Des observations par microscopie à force atomique ont également été menées afin de décrire la géométrie (dimensions, hauteur) des différents types d'objets délaminés. Ces informations morphologiques complémentaires couplées aux niveaux de contraintes associés permettent une confrontation aux lois de la mécanique du cloquage, et l'extraction de l'adhérence interfaciale. A partir de ces analyses, des schémas et cartes de l'endommagement des couches de chromine sont proposés.

Le greffage chimique et l'assemblage supramoléculaire de mol écules organiques sur les semiconducteurs est une approche intéressante pour la fabrication de dispositifs dans le domaine de l'électronique moléculaire. En particulier, la surface de silicium orient ée (001), reconstruite 2x 1, peut être utilisée comme un gabarit pour greffer des mol écules organiques de façon organisée dans des conditions de ultra haut vide. Cependant, les molécules bifonctionnelles conduisent à des géométries d'adsorption multiples, qu'il est nécessaire de comprendre a fin de pouvoir les contrôler. Les spectroscopies de photo émission et d'absorption X, associées a des calculs DFT de structures électroniques, ont permis de déterminer les modes d'adsorption de l'ammoniac, de l'éthylènediamine, du 1-4 diaminobutane et du N,N,N',N' tétraméthyl éthylènediamine sur la surface Si(001)-2x 1. Dans ce dernier cas, une évolution des modes d'adsorption, en fonction de la dose d'exposition et d'irradiation a également pu être mise en évidence.

Le diagramme des phases du C60 continue d'être un sujet de discussion et de controverse, malgré la grande quantité de travaux expérimentaux et théoriques fait au fil des ans. Ceci est principalement dû au manque d'études in situ, a l'existence d'états désordonnés présentant des pics de diffraction très mal résolus et à la coexistence de plusieurs polytypes de faible densité. Ce manuscrit présente une étude systématique in situ des transformations hétérogènes du C60 sous haute pression et haute température dans la gamme 1-10 GPa et 300-1200 K. Afin de discriminer les poly(a)morphes de densité similaire dans des échantillons hétérogènes, nous avons utilisé une combinaison de micro-diffraction et micro-tomographie. Les échantillons ont été synthétisés dans une cellule Paris-Edimbourg et caractérisés à l'aide de diffraction des rayons X in situ en dispersion angulaire. Des images tridimensionnels à haute résolution ont été obtenus sur des échantillons trempés par la méthode de micro-tomographie de diffraction/diffusion. Cette méthode permet l'analyse 3D de l'intensité de diffusion reconstruite à partir de séries de projections 2D. Une telle analyse est non destructive et offre une grande sensibilité (0,1% en volume), une haute résolution spatiale (μm3) et peut être multimodale, fournissant des données quantitatives sur la morphologie, la densité, la composition élémentaire ou la structure des matériaux. En outre, nous décrivons le développement d'un système de micro-tomographie in situ sous haute pression et haute température en utilisant une nouvelle cellule rotative Paris-Edimbourg (RoToPEC), combinée avec le rayonnement synchrotron. La capacité à tourner complètement la chambre de l'échantillon sous charge, surmonte la contrainte d'ouverture angulaire limitée des cellules ordinaires et permet l'acquisition de projections tomographiques pour l'imagerie de plein champ ainsi que pour l'imagerie par micro-diffraction. Cette méthode innovante permet l'étude des matériaux sous conditions extrêmes de pression, température ou stress, et pourra être appliquée dans des domaines variés tels que la physique, la chimie, la science des matériaux ou la géologie. Le potentiel de cette nouvelle technique expérimentale est démontré par l'étude de la polymérisation de C60 sous haute-pression et haute température. Mots-clés: C60, diagramme de phase, diffraction, micro-tomographie, haute pression et haute température

Les composés à commutation électronique constituent une large famille de systèmes particulièrement prometteuse, notamment pour le stockage de l'information à l'échelle moléculaire. Parmi ces composés, les analogues du bleu de Prusse cobalt-fer (ABP AxCoFe) sont des polymères inorganiques formés d'enchaînements Co-N≡C-Fe pouvant présenter deux états électroniques CoII(HS)-N≡C-FeIII(BS) et CoIII(BS)-N≡C-FeII(BS) (HS : haut spin ; BS : bas spin) aux propriétés structurales et électroniques bien distinctes. La transition électronique entre ces deux états peut être contrôlée de manière réversible par une grande variété de paramètres chimique (insertion de cations alcalins) et physiques (température, pression, irradiation). Ces propriétés de photo-commutation sont particulièrement intéressantes pour le développement de mémoires optiques à l'échelle moléculaire.Afin de comprendre les propriétés électroniques des ABP AxCoFe, nous nous sommes intéressés à l'interaction entre les centres métalliques via le pont cyanure dans l'enchaînement Co-N≡C-Fe, aussi bien sur un plan expérimental (mise en œuvre de techniques d'analyse reposant sur l'utilisation du rayonnement synchrotron) que théorique (modélisation ab initio de type post-Hartree-Fock). Nous avons également étudié la nature de l'interaction, démontrée expérimentalement, entre les cations alcalins et le réseau bimétallique formé par les enchaînements Co-N≡C-Fe. Finalement, la pertinence du modèle à deux états, habituellement utilisé pour rendre compte des propriétés électroniques des systèmes commutables, est discutée, avec la mise en évidence de multistabilités au sein des ABP AxCoFe. Ce travail propose ainsi une étude la plus complète possible des phénomènes électroniques rencontrés dans ces systèmes.

Two innovative radiotherapy (RT) approaches are under development at the ID17 Biomedical Beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF): microbeam radiation therapy (MRT) and minibeam radiation therapy (MBRT). The two main distinct characteristics with respect to conventional RT are the use of submillimetric field sizes and spatial fractionation of the dose. This PhD work deals with different features related to small-field dosimetry involved in these techniques. Monte Carlo (MC) calculations and several experimental methods are used with this aim in mind. The core of this PhD Thesis consisted of the development and benchmarking of an MC-based computation engine for a treatment planning system devoted to MRT within the framework of the preparation of forthcoming MRT clinical trials. Additional achievements were the definition of safe MRT irradiation protocols, the assessment of scatter factors in MRT, the further improvement of the MRT therapeutic index by injecting a contrast agent into the tumour and the definition of a dosimetry protocol for preclinical trials in MBRT.

The structure of 11S cruciferin has been solved; however, how the individual subunits contribute to its physico-chemical and functional properties are not well known. The cruciferin isoforms in Arabidopsis thaliana, CRUA, CRUB, and CRUC, were investigated with respect to their molecular structures and the relationship of structural features to the physico-chemical and functional properties of cruciferin using homology modeling and various analytical techniques. Comparison of these models revealed that hydrophobicity and electrostatic potential distribution on the surface of the CRUC homotrimer had more favorable interfacial, solubility, and thermal properties than those of CRUA or CRUB. Flavor binding and pepsin digestion were associated with hypervariable regions (HVRs) and center core regions, respectively, moreso for CRUA and CRUB homotrimers than for CRUC. Chemical imaging of a single cell area in wild type (WT) and double-knockout seeds (CRUAbc, CRUaBc, and CRUabC) using synchrotron FT-IR microscopy (amide I band, 1650 cm-1, νC=O) showed that seed storage proteins were concentrated in the cell center and protein storage vacuoles, whereas lipids were closer to the cell wall. Secondary structure components of proteins of double-knockout lines did not show major differences. Changes in protein secondary structure components of pepsin-treated CRUabC (CRUC) mutant were minimal, indicating low enzyme accessibility. A three-step chromatographic procedure allowed isolation of the hexameric form of cruciferin with high purity (>95%). Fourier transform infrared (FT-IR) and circular dichroism (CD) spectroscopic analysis of the secondary structure of these proteins revealed cruciferins were folded into higher order secondary structures; 44−50% β-sheets and 7−9% α-helices. The relative subunit ratio was approximately 1:3:6 (CRUA:CRUB:CRUC) in the WT cruciferin. The Tm values of purified cruciferin at pH 7.4 (μ = 0.0) were in the order of WT = CRUA = CRUB < CRUC. The order of surface hydrophobicity as determined by ANS (1-anilinonaphthalene-8-sulfonate) probe binding was CRUA > CRUB = WT >> CRUC. Intrinsic fluorescence studies revealed a compact molecular structure for the CRUC homohexamer compared to the CRUA and CRUB homohexamers. The order of emulsion forming abilities was CRUA = CRUB > WT > CRUC (no emulsion formation) and the order of heat-induced network structure strength was WT > CRUA = CRUB > CRUC (no gel formation). The inability of CRUC to form gels or emulsions may be attributed to its low surface hydrophobicity and molecular compactness. At pH 2.0, CRUC hexamers dissociated into trimers which allowed the formation of an O/W emulsion and heat-induced network structures. Solubility of cruciferin as a function of pH at low ionic strength gave two minima around pH 4 and 7.4 yielding a “W” shape solubility profile deviating from the typical “U” or “V” shape solubility profile of other 11S globulins. The high ionic strength (μ = 0.5) was not favorable for emulsification, heat-induced gel formation, or solubilization for all cruciferins. Furthermore, the CRUA and CRUB homohexamers exhibited rapid pepsinolysis, while the CRUC homohexamer and WT heterohexamer were digested more slowly. Although fairly well conserved regions were found in the primary structure of these three cruciferin subunits, differences were found in the hypervariable regions and extended loop regions resulting in slight differences in 3D structures and interactions that occur during association to form superstructures, such as hexamers. These differences were reflected in the physico-chemical and techno-functional properties of hexamers and trimers composed of each subunit. In silico predictions for certain functionalities were highly correlated with empirical data from laboratory experiments.

This thesis concerns multi-ionization coincidence measurements of atoms and small molecules using a magnetic bottle time-of-flight (TOF) spectrometer designed for multi-electron coincidence studies. Also, a time-of-flight mass spectrometer has been used together with the TOF electron  spectrometer for electron-ion coincidence measurements. The multi-ionization processes have been studied by employing a pulsed discharge lamp in the vacuum ultraviolet spectral region and synchrotron radiation in the soft X-ray region. The designs of the spectrometers are described in some detail, and several timing schemes suitable for the light sources mentioned above are presented. Studies have been performed on krypton, molecular oxygen, carbon disulfide and a series of alcohol molecules. For the latter, double ionization spectra have been recorded and new information has been obtained on the dicationic states. A recently found rule-of-thumb  and quantum chemical calculations have been used to quantify the effective distance of the two vacancies in the dications of these molecules. For Kr, O2, and CS2, single-photon core-valence spectra have been obtained at the synchrotron radiation facility BESSY II in Berlin and interpreted on the basis of quantum chemical calculations. These spectra show a remarkable similarity to conventional valence photoelectron spectra. Spectra of triply charged ions were recorded, also at BESSY II, for Kr and CS2 by measuring, in coincidence, all three electrons ejected. The complex transition channels leading to tricationic states were mapped in substantial detail for Kr. It was found that for 3d-ionized krypton, the tricationic states are dominantly populated by cascade Auger decays via distinct intermediate states whose energies have been determined. The triple ionization spectra of CS2 from the direct double Auger effect via S2p, S2s and C1s hole states contain several resolved features and show selectivity based on the initial charge localisation and on the identity of the initial state.

La formation d'une couche d'oxyde thermique sur un métal entraîne l'apparition d'une déformation spécifique liée à la croissance de l'oxyde. Nous considérons que cette déformation est proportionnelle à l'épaisseur de la couche d'oxyde. Nous avons analysé les contraintes de « croissance » associées, dans les oxydes se développant sur des substrats de nickel, de fer et enfin de fer phosphaté. L'oxydation des deux premiers métaux est parabolique. En revanche, l'oxydation du fer phosphaté montre plusieurs caractéristiques. Des analyses menées par Diffraction des Rayons X (évolution des pourcentages de phases) ont montré que le film de phosphate se comportait comme une barrière de diffusion. La mesure des contraintes dans les oxydes a été réalisée in-situ par thermodiffraction avec l'apport du Rayonnement Synchrotron. Enfin, la modélisation de l'évolution des contraintes dans les systèmes oxydes thermiques sur métal nous a permis de reproduire qualitativement les résultats expérimentaux.