Diimine rhenium(I) tricarbonyl complexes are known as phosphorescent emitters and electro- and photocatalysts for the reduction of CO₂ to CO. Conducting metallopolymers containing this rhenium(I) moiety should not only retain the photoluminescent and catalytic properties of the complex but also gain the conductivity, processability, and mechanical flexibility typical of [pi]-conjugated polymers. A series of tricarbonyl rhenium(I) diimine-type monomers and metallopolymers have been prepared. Appended to the ligands are thiophene and 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) groups for electropolymerization of the metal complexes. UV-Vis absorption and emission spectroscopy studies of the monomers indicate that light emission originates from triplet ligand-centered (³LC) [pi] [right arrow] [pi]* and triplet metal-to-ligand charge transfer (³MLCT) excited states. Additionally, both the monomers and metallopolymers show electrocatalytic activity towards the reduction of CO₂ to CO. Furthermore, the EDOT-functionalized diimine-type ligand (EDOT₂-BPP) also serves as a good sensitizing ligand for luminescent lanthanide emission. A series of lanthanide complexes that utilize tris([beta]-diketonates) and EDOT₂-BPP ligands have been synthesized and studied using X-ray crystallography and photophysical techniques. Large quantum yields and microsecond lifetimes were found for the EuIII and SmIII complexes. Complexes of TbIII were found to have weak luminescent emission due to the less-than-optimal energy gap between the sensitizing ligands and the excited state of the TbIII ion. Oligothiophenes are models for polymeric systems because of solution processability, controlled chain length, and a well-defined structure. We have synthesized a library of alkyl and polyfluoroalkyl-substituted oligothiophenes to study how molecular structure, long-range order, spatial orientation, and varying degree of electronic coupling between molecules influences charge separation in photovoltaics. These oligoalkylthiophenes have been characterized by X-ray diffraction, photophysical methods, electrochemistry, and UV-Vis and EPR spectroscopies. Although the electronic properties of these oligoalkylthiophenes do not vary with alkyl group, aggregates of oligooctylthiophene, made through solution processing, have distinct morphologies with varying amounts of electronic disorder. The extent of electronic disorder within the aggregate is determined by comparing the suppression of the 0-0 vibronic band in the fluorescence spectra to that of the non-aggregated parent molecule. This extent of electronic disorder was correlated with the local contact potential of individual aggregates through Kelvin probe force microscopy (KPFM) measurements. / text

Dans cette thèse, on a étudié la formation de monocouches auto-assemblées de différentes molécules de chalcogénure et de films minces de semiconducteurs organiques. Leurs caractéristiques électroniques et structurelles ont été étudiées principalement par la spectroscopie de photoélectron à rayons X à base de rayonnement synchrotron, la spectroscopie d’adsorption de rayons X à proximité de seuil, la microscopie à force atomique et la diffraction d'électrons à faible énergie. En outre, les caractéristiques d'adsorption du sélénium et du soufre ont été étudiées comme complément à l'étude des adsorptions des molécules comportant des atomes de chalcogène. Le XPS à haute résolution a été utilisé pour enquêter sur les monocouches auto-assemblées de benzèneselénol et de sélénophène sur Cu (111). L'étude détaillée des pics caractéristiques des niveaux du coeur a démontré l'existence de différents sites d'absorption des molécules et aussi avec les mesures NEXAFS l'apparition du clivage de la liaison Se-C. Ces conclusions sont étayées par l'étude de l’adsorption de sélénium atomique montrant également différents sites d'absorption pour le sélénium atomique avec différents environnements chimiques basés sur une étude XPS haute résolution des spectres caractéristiques Se3d, Se3p et l'imagerie LEED. On a étudié les adsorptions de molécules de polythiophène (nT, n = 1-4, 6) ainsi que pour le α, ω-diquaterthiophène (DH4T) et le dihexylsexithiophène (DH6T) sur les films Au (111) et films de Au sur le mica. Les résultats indiquent que les pics XPS S2p ont des contributions de molécules intactes sur différents sites d'adsorption et des molécules cassées. Ces conclusions sont étayées par les calculs DFT existants. La dissociation spontanée apparaît dans une mesure variable dans différents cas, ce qui pourrait être lié à différentes morphologies de surface, à l'existence de défauts et à la réactivité différentes liés a ces défauts. Des films ultra-minces d'α-sexithiophène (6T) ont été déposés sur des surfaces planes de CaF2 (111) / Si (111) et sur des surfaces striées de CaF2 (110) / Si (001) par épitaxie par faisceau moléculaire. L'image AFM de 6T sur CaF2 (111) montre de grandes îles avec des terrasses plates sans préférence dans le plan, tandis que des îlots étroits et allongés suivant l'ondulation du substrat sont formés pour 6T sur CaF2 (110). Les spectres XPS et NEXAFS indiquent que les interactions entre 6T et les surfaces sont négligeables et que les molécules s'alignent avec leur long axe perpendiculaire aux surfaces pour les deux cas. / In this thesis, formation of self-assembled monolayers of different chalcogenide molecules and organic semiconductor thin films was investigated. Their electronic and structural characteristics have been investigated primarily by synchrotron based X-ray photoelectron, near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy, Atomic force microscopy and low energy electron diffraction. In addition, the adsorption characteristics of selenium and sulfur were studied as a complement to the study of adsorptions of chalcogen headgroup molecules. The high resolution XPS was employed to investigate the self assembled monolayers of benzeneselenol and selenophene on Cu(111). The detailed study of characteristic core level peaks demonstrated the existence of different absorption sites of the molecules and also along with NEXAFS measurements the occurrence of Se-C bond cleavage. These conclusions are supported by the study of atomic selenium adsorptions showing also different absorption sites for the atomic selenium with different chemical environments based on high resolution XPS study of characteristic Se3d, Se3p spectra and LEED imaging. The adsorptions of polythiophene molecules (nT, n=1-4, 6) as well as for α, ω-diquaterthiophene (DH4T) and dihexylsexithiophene (DH6T) on Au(111) and Au films grown on mica was studied. The results indicate that the XPS S2p peaks have contributions from intact molecules on different adsorption sites and broken molecules complemented. These conclusions are supported by existing DFT calculations. Spontaneous dissociation appears to a variable extent in different cases, which could be related to different surface morphologies, existence of defects and ensuing differences reactivity.α-Sexithiophene (6T) ultrathin films were grown on CaF2(111)/Si(111) planar surfaces and on CaF2(110)/Si(001) ridged surfaces by molecular beam epitaxy. The AFM image of 6T on CaF2(111) shows large islands with flat terraces without in-plane preference, while narrow and elongated islands following the substrate corrugation are formed for 6T on CaF2(110). XPS and NEXAFS spectra indicate that the interactions between 6T and surfaces are negligible, and the molecules align with their long axis perpendicular to the surfaces for both cases.

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Diese Dissertation unter dem Titel Experimentelle Bestimmung der elektronischen Eigenschaften anwendungsrelevanter Grenzflächen organischer Halbleiter mittels Photoelektronenspektroskopie wurde am Leibniz Institut für Festkürper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden am Institut für Festkörperforschung (IFF) unter der Betreuung von Prof. Dr. B. Büchner angefertigt. Zur wissenschaftlichen Untersuchung kamen hierbei zwei Typen anwendungsrelevanter Grenzflächen. Zum einem wurde der Einfluss einer Elektrodenpräparation unter Normalbedingungen mittels ex-situ Reinigungsverfahren im Vergleich zu insitu präparierten Kontakten auf das elektronische Verhalten des organischen Halbleiters Sexithiophen an Grenzflächen zu metallischen Substraten studiert. Als Substratmaterialien kamen hierbei die Metalle Silber, Palladium, Gold und Platin zum Einsatz. In einer zweiten Studie wurden die Grenzflächen der organischen Halbleiter Sexithiophen und Kupfer(II)- Phthalocyanin in Kontakt zu dünnen Filmen des Übergangsmetalloxides La0.7Sr0.3MnO3 untersucht. Auch hier wurde eine vergleichende Untersuchung für ex-situ und in-situ gereinigte La0.7Sr0.3MnO3-Kontakte durchgeführt. Die hierzu verwendeten Filme wurden im IFW Dresden am Institut für Metallische Werkstoffe (IMW) hergestellt. Auch im Rahmen dieser Untersuchungen stand der Einfluss von Sauerstoff auf das elektronische und chemische Verhalten an den Grenzflächen im Vordergrund.

With the emerging interest in nanoscale materials, the fascinating field of surface science is rapidly growing and presenting challenges to the design of both experimental and theoretical studies. The primary aim of this dissertation is to shed some light on the physical and chemical properties of selected nanoscale materials at the interface. Furthermore, we will discuss the effective application of cutting edge theoretical and experimental techniques that are invaluable tools for understanding the systems at hand. To this effect, we use density functional theory (DFT) with the inclusion of van der Waals (vdW) interactions to study the effect of long-range interactions on the adsorption characteristics of various organic molecules (i.e. benzene, olympicene radical, and sexithiophene) on transition metal surfaces. Secondly, the detailed analysis of x-ray absorption spectroscopy (XAS), scanning transmission electron microscopy (STEM), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and atomic force microscopy (AFM) measurements will be presented. These investigations will be dedicated to the study of (i) the effect of pre-treatment on the coarsening behavior of Pt nanoparticles (NPs) supported on ?-Al2O3 and (ii) deconvoluting the intrinsic (size effects) and extrinsic (ligand effects) physical and electronic properties of Au NPs encapsulated by polystyrene 2-vinylpiridine ligands.

A great interest has been shown for self-assembled organic nano-structures that can be used in a variety of optoelectronic applications, from element detection to home electronics. It is known from experimental research that sexiphenyl (6P) grown on muscovite mica substrate form uniaxially self-assembled nanofibers which together with sexithiophene (6T) deposited on top gives the possibility to tune their polarized emission. A key to continue develop and explore the full potential of this technique is to understand the mechanisms behind the growth. This thesis investigate the initial growth of 6P and 6T on a 6Pˆ<img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cleft(11%20%5Cbar%7B1%7D%20%5Cright)%20%20%20" /> nanofiber substrate through Molecular Dynamics (MD) simulations. The adsorption of the molecules has been simulated with Simulated Annealing (SA) where 6P align perfectly with the substrate for all coverage while 6T starts to align after a certain amount of coverage. Both molecules show a monotonic increase in the adsorption energy per molecule with an increasing coverage. The surface diffusion of the molecules has been studied and shows a higher movement for both in the direction of the longmolecular axis. / Project P25154-N20 "Hetero-epitaxy of organic-organic nanofibers"

Diese Dissertation unter dem Titel Experimentelle Bestimmung der elektronischen Eigenschaften anwendungsrelevanter Grenzflächen organischer Halbleiter mittels Photoelektronenspektroskopie wurde am Leibniz Institut für Festkürper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden am Institut für Festkörperforschung (IFF) unter der Betreuung von Prof. Dr. B. Büchner angefertigt. Zur wissenschaftlichen Untersuchung kamen hierbei zwei Typen anwendungsrelevanter Grenzflächen. Zum einem wurde der Einfluss einer Elektrodenpräparation unter Normalbedingungen mittels ex-situ Reinigungsverfahren im Vergleich zu insitu präparierten Kontakten auf das elektronische Verhalten des organischen Halbleiters Sexithiophen an Grenzflächen zu metallischen Substraten studiert. Als Substratmaterialien kamen hierbei die Metalle Silber, Palladium, Gold und Platin zum Einsatz. In einer zweiten Studie wurden die Grenzflächen der organischen Halbleiter Sexithiophen und Kupfer(II)- Phthalocyanin in Kontakt zu dünnen Filmen des Übergangsmetalloxides La0.7Sr0.3MnO3 untersucht. Auch hier wurde eine vergleichende Untersuchung für ex-situ und in-situ gereinigte La0.7Sr0.3MnO3-Kontakte durchgeführt. Die hierzu verwendeten Filme wurden im IFW Dresden am Institut für Metallische Werkstoffe (IMW) hergestellt. Auch im Rahmen dieser Untersuchungen stand der Einfluss von Sauerstoff auf das elektronische und chemische Verhalten an den Grenzflächen im Vordergrund.

In dieser Arbeit werden neue Strategien zur Wachstumskontrolle funktionaler organischer Dünnschichtmaterialien aufgezeigt, mit denen sich die Eigenschaften molekularer Schichtsysteme gezielt beeinflussen lassen. Ein Fokus liegt dabei auf der Untersuchung des Einflusses von optischen Feldern auf das Wachstumsverhalten. Ein weiterer Schwerpunkt wird auf das Grundlagenverständnis von thermisch aktivierten, kinetischen Prozessen, die die Morphologie während und nach dem Schichtwachstum beeinflussen, gelegt. Zuerst wird am Beispiel des molekularen Halbleiters Sexithiophen (6T) gezeigt, wie sich Kontrolle über das Kristallphasengleichgewicht während des Wachstums auf Kaliumchlorid (KCl) erzielen lässt. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine neue Herangehensweise zur direkten Ausrichtung von Molekülkristallen im optischen Feld während ihrer Entstehung studiert. Am Beispiel von Tetracene wird gezeigt wie sich so optische anisotrope Absorptionseigenschaften von Molekülen dazu nutzen lassen den Brechungsindex eines polykristallinen Films lokal durch ein photolitographisches Verfahren zu beeinflussen. Im dritten Teil wird der Einfluss von dynamisch variierenden Wachstumsbedingungen während des Schichtwachstums von PTCDI-C8 studiert. Es wird gezeigt, dass sich die Oberflächenrauigkeit stark reduzieren lässt, indem zu Beginn des Wachstums jeder individuellen molekularen Monolage die Nukleationsdichte stark erhöht und in den darauf folgenden Wachstumsphasen die Diffusivität gezielt gesteigert wird. Im vierten Teil wird das Diffusionsverhalten von n-Alkan Schichten unter thermischen Einflüssen betrachtet. Es wird gezeigt, dass die inhärente molekulare Anisotropie von C44H90 Molekülen (TTC) sowie die sehr geringe, stark anisotrope, Oberflächenenergie dieses Materials ein ungewöhnliches Diffusionsverhalten auslöst. / The research performed in the framework of this thesis focuses on new strategies to effectively control the growth of crystalline thin films of functional organic molecules and attributes the quest for additional growth control parameters in organic molecular beam deposition (OMBD). First the influence of light on the growth process of the sexithiophene (6T) is studied. We find that 6T thin films deposited as conventional in dark environments on KCl exhibit a bimodal growth with phase coexistence of two crystal polymorphs. In contrast, films grown under illumination with 532 nm light show increased phase purity. Further, we establish light-directed molecular self-assembly (LDSA) to generate permanently aligned thin films of tetracene (C18H12) and demonstrate direct patterning with light. Polarized light illumination leads to azimuthally photoaligned films on isotropic, amorphous substrates. Thus, LDSA can be regarded as a new degree of freedom in the quest for control-parameters in organic thin film growth. Next the impact of dynamic temperature oscillations on the time scales of molecular monolayer growth during organic molecular beam deposition is discussed. We strongly increase the island density during nucleation and selectively increase interlayer diffusion at later stages of monolayer growth. We analyse the interplay between molecular interlayer transport and island sizes to understand kinetic processes during growth. In a fourth experiment we show how thermal annealing can be used to improve smoothness and to increase the lateral size of crystalline islands of n-alkane (TTC, C44H90) films. We employ real-time optical phase contrast microscopy to track the diffusion across monomolecular step edges which causes the unusual smoothing during annealing. We rationalise the smoothing behaviour with the highly anisotropic attachment energies and low surface energies of TTC.

In dieser Arbeit wird die Phasenseparation und Mischung zwischen konjugierten Stäb-chenmolekülen in dünnen Filmen untersucht. Hauptaugenmerk liegt darauf zu ergrün-den welche molekularen Eigenschaften zu Mischung und/ oder Phasenseparation füh-ren. Mit den 5 Molekülen Pentacen (PEN), Quaterthiophen (4T), Sexithiophen (6T), p-Sexiphenylen (6P), alpha,omega-Dihexylsexithiophen (DH6T) werden Materialpaare zusammen gestellt, die sich in den Parametern „optische und elektrische Eigenschaf-ten“, „Länge des konjugierten Kerns“ und Alkylkettensubstitution unterscheiden. Alle Schichten werden mittels organischer Molekularstrahlabscheidung auf die Substrate Siliziumoxid und Mylar, einer PET Folie, simultan von zwei Quellen aufgedampft. Das Mischungsverhältnis wird mittels der individuellen Aufdampfraten eingestellt und eine Gesamtrate von 0.5 nm/min eingehalten. Es wird Phasenseparation für Materialpaare mit ungleicher konjugierter Kernlänge, z.B. [4T/6T], beobachtet. Erstaunlicherweise führt die Co-Verdampfung von Molekülpaaren mit ähnlicher konjugierter Kernlänge [4T/PEN] und [6T/6P] zu wohlgeordneten Fil-men, in denen die Moleküle in gemischten Lagen parallel zur Substratoberfläche auf-wachsen und die Längsachse der Moleküle fast senkrecht zur Substratoberfläche orien-tiert ist. Molekülpaare mit ähnlicher konjugierter Kernlänge und Alkylsubstitution [6T/DH6T] und [6P/DH6T] zeigten ebenfalls geordneten Schichten, wobei als Besonderheit eine lineare Abhängigkeit des Lagenabstandes vom DH6T-Gehalt zu beobachten ist. Dies wird mit einer Phasenseparation in eine aromatische und eine alkyl Domäne erklärt. Mit abnehmendem DH6T-Gehalt im Film ist die Alkyldomäne weniger dicht gepackt, was auf Grund der Flexibilität der Alkylketten zu einer Abnahme des gesamten Lagenab-standes führt. Die besonders geringe Oberflächenrauhigkeit und die miteinander verbundenen Inseln der [DH6T/6T] Filme prädestinieren sie zur Verwendung in Feldeffekttransistoren. Es wird gezeigt, dass es möglich ist, die Ladungsträgerdichte im Kanal durch Änderung des Verhältnisses zwischen DH6T und 6T so zu verändern, dass der Transistor im Verar-mungs- oder Anreicherungsregime betrieben werden kann. Dabei bleibt die Ladungsträ-germobilität auf gleich bleibend hohem Niveau. Dies entspricht dem Dotieren eines anorganischen Halbleiters. / This thesis is centered on studies of phase separation and mixing in co-deposited thin films of rod-like conjugated molecules. The main focus is to determine which molecular properties lead to phase separation and/or mixing of two materials. To address this question I used five materials, of importance in the context of “organic electronics”: pentacene (PEN), quaterthiophene (4T), sexithiophene (6T), p-sexiphenylene (6P), alpha,omega-dihexylsexithiophene (DH6T). With these it was possible to form material pairs which differ in the parameters: energy levels, length of the conjugated core, and alkyl-end-chain-substitution. All films were deposited by organic molecular beam deposition onto the chemically inert substrates silicon oxide and Mylar, a polyethylene terephthalate (PET) foil. The material pairs were deposited simultaneously from two thermal sublima-tion sources. The mixing ratio was controlled by the individual deposition rates, which were measured online by a microbalance. The total deposition rate was 0.5 nm/min, and the film thicknesses ranged from 4 nm to 40 nm. Phase separation is observed for material pairs with dissimilar conjugated core sizes, i.e. [4T/6T]. Noteworthy, the co-deposition of material pairs with similarly sized conju-gated cores [4T/PEN] and [6T/6P] lead to well ordered layered structures. The mole-cules show mixing within layers on a molecular scale and the long molecular axis is ori-ented almost perpendicular to the substrate surface. Material pairs with similarly sized conjugated core and alkyl-end-chain-substitution [6T/DH6T] and [6P/DH6T] show also growth in mixed layered structures. An especially appealing fact is that the interlayer distance increases proportional to the DH6T content in the film. This can be explained with a phase separation into an aromatic and an alkyl domain vertically to the substrate surface. A decrease of the DH6T content in the film leads to a less dense packing in the alkyl domain. This leads, due to the flexibility of the alkyl chains, to a decrease of the overall interlayer distance. The low surface corrugation and the interconnected islands render the material pair [6T/DH6T] well suitable for the use as active layer in organic field effect transistors. It is shown that it is possible to tune the charge carrier density in the channel by changing the ratio between 6T and DH6T. This effect enables switching the transistor from en-hancement to depletion mode, while maintaining a high charge carrier mobility. This is comparable to p-type doping of inorganic semiconductors.