Many technological aspects of everyday life are based on practical applications of the magnetic properties of the materials. Miniaturization is a key technological aspect; electronic circuits and storage devices are nowadays steadily decreasing in size and will eventually reach molecular dimensions. The understanding and predictions of the properties of matter at atomic levels represents one of the great achievements of the last years in science. In the present thesis, the aim is to present a complete study of the electronic structure of selected materials, by means of experimental and theoretical methods. The class of materials which are presented in this thesis, are belonging to the magnetic molecules and intermetallic compounds. The electronic structure of the single molecule system named ferric star molecule has been studied. From the resonant X-ray emission study the trend observed for the FeFe3 star gives a signature for the high-spin structure, or more precisely of strong magnetic systems like FeO or Heusler alloys. For the case of intermetallic alloys and compounds, the Mn 2p core-level presents a visible split structure, which is arising from the exchange interactions between the core-hole and the unpaired 3d electrons. The interpretation of this splitting can be regarded as an evidence of local magnetic moments belonging to the Mn site.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung von geätzten (111) Calciumdifluoridspaltflächen mittels hochauflösender Rasterkraftmikroskopie (SFM). Die Ätzfiguren werden mit verschiedenen Säuren wie Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure und Salpetersäure erzeugt, die typischerweise zur Versetzungsdefektanalyse eingesetzt werden. Die qualitativen Veränderungen auf der Oberfläche werden charakterisiert. Anschließend erfolgt eine quantitative Auswertung der Ätzgruben in Bezug auf ihre geometrische Erscheinung. Für alle Säuren können neben trigonalen Ätzgruben mit spitzen Böden auch Ätzgruben mit flachen Böden beobachtet werden. Aufbau und Wechselwirkungen der Versetzungen zueinander verursachen bestimmte relative Anordnungen der Ätzgruben wie z.B. Aneinanderreihungen von Ätzgruben bzw. Ätzgräben.. Beim qualitativen Vergleich der Ätzfiguren zeigen sich für die jeweiligen Säuren spezielle Merkmale. Das SFM erlaubt die direkte Auswertung der Größen der untersuchten Ätzgruben. Dadurch lassen sich zwei unterschiedliche Klassen von Ätzgruben unterscheiden. Die eine Klasse entsteht durch an der Oberfläche endende Versetzungsdefekte und ist charakterisiert durch exzentrische tiefe Ätzgruben. Die andere Klasse entsteht durch lokale Defekte unter der Oberfläche, die zentrische Ätzgruben geringerer Tiefe verursachen. Ätzgruben mit flachen Böden konnten ebenfalls in diese Klassen eingeteilt werden.

Noncollinear (NC) magnetism is common in nature, especially when there exist geometrical frustration and chemical imparity in the system. In this work we studied the NC magnetism and the response to external magnetic fields in surfaces and interfaces of transition metals by using an semi-empirical tight-binding (TB) method that parameterized to the ab initio TB-LMTO calculations. We implemented this method to study two systems. The first one is the system of 6 Mn monolayers on Fe(001) substrate. Due to the complex structure and magnetic properties of Mn, we found 23 collinear magnetic configurations but only one NC configuration. The collinear ground state has a layered antiferromagnetic (AFM) coupling which agrees with previous experiments and calculations. In the NC configuration the local AFM coupling in the Mn layers is preserved, but the surface is 90 degree coupled to the substrate. Similar to the experiment in CdCr2O4, we obtained a collinear plateau in the NC evolution of the average magnetic moment in Mn slab under external magnetic fields. Another is the system of a Cr monolayer on a stepped Fe(001) substrate. As expected, the local AFM coupling in the interface of Cr and Fe are preserved. However, the edge Cr atoms is about 90 degree coupled to their nearest Fe neighbors. We also simulated the procedure of adding more Cr coverages gradually to a Cr bilayer coverage. As coverages increase, the magnetic moments in the Cr interface reduce, and the collinear plateau becomes wider as coverages increase. However, the saturation fields in both the two systems are extremely high, around 10 kT.We expect that when the effect of temperature is taken into account, and in some proper systems, the saturation fields could be largely reduced to the scale that can be implemented in experiment, and our study may shed light on information storage devices with ultrahigh storage density.

Planar and cylindrical waveguides with linear cladding and a core with real, field dependent permittivity are considered, in particular even and odd modes are investigated.Assuming a plane wave with TE-polarization, Maxwell´s equations for the electric field lead to a nonlinear differential equation whose solution is approximated by means of a Green s function and an iteration method. Referring to a photorefractive permittivity with external field, the approximate solution is compared with the numerical solution; furthermore, the amplitude of even modes in the planar waveguide is compared with the analytically determined amplitude. In both cases, the agreement is satisfactory.The conditions of convergence of the iteration are investigated for a photorefractive permittivity with external field. It is shown that they are fulfilled for suitable choice of the width of the waveguide and the propagation constant. By means of the iteration method, the change of the linear dispersion relation due to the field dependent permittivity is described.The ratio of the power flow in the core to the total power flow is linearized in order to investigate the influence of weak nonlinearity.

The adsorption of oxygen on Rh(110) was investigated by thermal desorption spectroscopy (TDS), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning tunnelling microscopy (STM). The desorption of chemisorbed oxygen was observed at 700 K to 1200 K. Above 1400 K exists another desorption peak which is attributed to subsurface oxygen. The content of subsurface oxygen in Rh(110) influences the chemisorption states on the surface, so that the desorbing character of the surface oxygen species is changed. The subsurface-state needs high preparation temperature and has not any reaction with residual gas or added hydrogen in the chamber, which clarifies its spatial isolation. The XPS result showed that the binding energy of subsurface species is higher than the one of surface oxygen. This confirms the TDS observation. The subsurface-oxygen containing surface showed in STM oxygen induced hillock-like structures.

In der vorliegenden Arbeit wurde mit Hilfe von Embedded-Cluster-Simulationen die Struktur einiger typischer Defektzentren des technologisch vielversprechenden Perowskitkristalls BaTiO3 untersucht. Embedded-Cluster-Simulationen bestehen aus einer quantenmechanischen ab-initio Beschreibung eines begrenzten Cluster-Bereiches aus ca. 20-30 Ionen entweder in Hartree-Fock-Theorie oder in Dichtefunktionaltheorie. Zur Simulation der Kristallumgebung wird der Cluster in ein mit klassischen Potentialmethoden beschriebenes Punktladungsfeld eingebettet. Zur Erfassung elektronischer Polarisierungsanteile bietet sich hierfür das Schalenmodell an. Zunächst wurde das Verfahren auf das experimentell gut bekannte Ti3+-Jahn-Teller-Polaron angewendet. Es ergab sich eine gute Übereinstimmung mit den Resultaten aus vorherigen Elektronenspinresonanz-Untersuchungen. Der Energiegewinn durch die Ankopplung an die totalsymmetrische Atmungsmode des Gitters und durch den zusätzlichen symmetriereduzierenden Jahn-Teller-Effekt sowie der Vergleich mit dem Energiegewinn durch Bandbildung ergab eine geringfügige Begünstigung des polaronischen Zustands von ca. 0.1-0.2 eV. Ebenso konnte gezeigt werden, daß die dem Jahn-Teller-Polaron zuzuordnende Ladungsdichte auf mehrere benachbarte Titan-Ionen delokalisiert ist (intermediäres Polaron). Nach einer Reduktionsbehandlung werden in der ESR weitere axiale Zentren mit Ti3+-Charakter beobachtet, die bisher durch den Elektroneneinfang an einem Ti4+-Ion in der Nachbarschaft von Sauerstoff-Leerstellen (Ti3+-VO) interpretiert wurden. Aus den beobachteten g-Werten wird weiterhin ein Orbital mit t2-Symmetrie gefolgert. In Embedded-Cluster-Simulationen wird dagegen für das Ti3+-VO-Zentrum ein elektronischer Grundzustand mit e-Symmetrie gefunden. Auch eine aus der ESR vermutete Anlagerung von Akzeptoren führte nicht zu einem t2-artigen Grundzustand. Als Modell, welches mit der ESR kompatibel ist, wurde dagegen ein Elektroneneinfang in der Nachbarschaft von Akzeptoren ohne die Annahme einer VO gefunden (Ti3+-O2--A+). Im Rahmen von Schalenmodellrechnungen wurde die tendenzielle Möglichkeit der Stabilität solch einer Konfiguration gezeigt und in Embedded-Cluster-Simulationen die Jahn-Teller-Aufspaltung berechnet, die in guter Übereinstimmung mit den in der ESR gefundenen liegt. Der Grund, weshalb der theoretisch erwartete Elektroneneinfang in e-Symmetrie in der Nachbarschaft einer VO in der ESR nicht beobachtet wird, wird in einem Einfang von zwei Elektronen an der VO vermutet. In der Simulation dieses sogenannten Bipolarons ergab sich durch die Ankopplung an das äußere Gitter eine deutliche Reduktion der effektiven Elektron-Elektron Wechselwirkung auf einige Zehntel eV, so daß in weitergehenden Rechnungen mit einem größeren Cluster und einem besseren Basissatz eine Bipolaronen-Bildung möglich erscheint. / In this thesis several typical defect centres in the technologically important perovskite BaTiO3 have been analysed using the embedded-cluster approach. The embedded-cluster-approach consists of a quantum mechanical simulation of an inner cluster region of about 20-30 atoms or ions either with the Hartree-Fock theory or with the Density-Functional theory. The simulation of the crystal environment is realized by embedding the cluster in a point-charge field which is treated by means of classical potential methods. In order to take electronic polarization effects into account the shell-model is used. At first we simulated the experimentally well-known Ti3+ - Jahn-Teller polaron. A good agreement with previous EPR measurements has been found. The energy gained by coupling to the breathing-mode of the surrounding lattice and by the additional symmetry-reducing Jahn-Teller effect in comparison with the energy gain related to delocalization showed a small preference of the polaronic state of 0.1-0.2 eV. In addition a slight delocalization of the polaronic charge over several neighbouring Ti-ions was found (intermediate polaron). After a reduction treatment further axial centres of Ti3+-type were found with EPR, which have been interpreted as an electron capture at a Ti-ion near an oxygen vacancy (Ti3+-VO). Because of the measured g-values the polaronic orbital was expected to have t2-like symmetry. In contrast, the embedded cluster simulations revealed a ground-state with e-character. Even an electron trapping near a repulsive acceptor (Ti3+-VO - A+) did not have the proposed t2 ground state symmetry. In agreement with the experimental expectations, we suggest a model consisting of an electron with t2 symmetry captured near an acceptor without taking into account an oxygen vacancy (Ti3+-O2--A+). Using shell-model calculations the stability of such a complex could be shown. In embedded cluster simulations the Jahn-Teller splittings were found to be in good agreement with the experimentally observed ones. A possible explanation for the non-observability of the theoretically proposed Ti-centres with e-symmetry near the oxygen vacancy could be the existence of neutral vacancies, i.e. capture of two electrons near the vacancy. In simulations of this so called bipolaron we showed that the effective electron-electron interaction is effectively reduced by coupling to the crystal lattice to some tenths of eV, so that a stable bipolaronic state seems to be possible. Further calculations with a larger cluster and a larger basis set need to be done in the future.

In dieser Arbeit sind im neu gegründeten Arbeitsbereich Umweltphysik an der Universität Osnabrück im Aerosol-Labor verschiedene Versuchsaufbauten geplant und realisiert worden. Den zentralen Kern aller Experimente stellt hierbei die Paul-Falle dar, mit deren Hilfe Aerosole elektrodynamisch levitiert werden können. Außerdem ist das im Aerosol-Labor entwickelte Fast-Fourier-Transformations-(FFT)-Auswerteverfahren zur Analyse der Streubilder der Aerosole beschrieben worden und seine Gültigkeit an speziellen Modell-Aerosolen aufgezeigt worden. Die Eigenschaften der in dieser Arbeit betrachteten Modell-Seesalzaerosole, welche durch einen Mikrotropfengenerator erzeugt werden, sind detailliert untersucht worden. Es ist gelungen, das Verhalten von drei Modell-Seesalzaerosolarten auch für den metastabilen Bereich der Übersättigung zu untersuchen. Es konnte dabei für die reinen NaCl- und NaBr-Salzlösungen nachgewiesen werden, dass es einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem jeweiligen Wasserdampf-Partialdruck gibt. Es konnte ein linearer Zusammenhang zwischen dem Logarithmus des kritischen Wasserdampf-Partialdruckes und der inversen Temperatur (1/T) eindeutig aufgezeigt und die gültigen Koeffizienten der linearen Regression angegeben werden. Ein Vergleich mit den Lösungswärmen für makroskopische Systeme aus der Literatur ergab einen deutlichen exothermen Enthalpie-Anteil für die übersättigte NaCl-Lösung. Auch für Natriumbromid kann ein zusätzlicher exothermer Enthalpie-Anteil festgestellt werden. Ferner konnten die Nukleationsraten beim Kristallisationsvorgang für die einzelnen Temperaturen ermittelt werden. Es konnte qualitativ festgestellt werden, dass je höher die Temperatur ist, desto höher die Nukleationsrate ist. Es konnte eine Ausgleichsgerade bestimmt werden, welche das Verhalten der Nukleationsraten über (1/T) der absoluten Temperatur für die beiden Salze NaBr und NaCl annähernd beschreibt.

Ungesättigte Kohlenwasserstoffketten wie Poly(para)-Phenyl stellen eine Gruppe interessanter Materialien für das sich schnell entwickelnde Gebiet der Organischen Leuchtdioden (OLEDs) dar. Entsprechende Materialien sollten sich durch schwach gebundene Pi-Elektronen auszeichnen. Poly(para)-Phenyl erfüllt diese Bedingung, seine Modellpolymerepara-Hexaphenyl und para-Quaterphenyl ebenso.In der vorliegenden Arbeit werden photoelektronenspektros-kopische Messungen an diesen Materialien vorgestellt, wobeiBenzoesäure und Oligomere der Länge 2,3,4,6 untersuchtwurden. Es wird gezeigt, dass sich die Bandstruktur der unendlich langen Poly(para)-Phenyl-Kette auch anhand seiner kürzeren Oligomere mit bis zu sechs Wiederholeinheiten ermitteln lässt und mit entsprechenden theoretischen Berechnungen gut übereinstimmt. Hierzu wurdenorientierte dünne Schichten der Oligomere para-Hexaphenyl im Ultrahochvakuum hergestellt und anschließend mittels winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie (ARUPS) am Berliner Speicher-Synchrotron BESSY I vermessen. Die Orientierung der dünnen Filme wird anhand der aus den Symmetrieüberlegungen entwickelten Auswahlregeln aus dem Vergleich der winkelaufgelösten Spektren nachgewiesen und durch AFM-Messungen (Atomic Force Microscopy) bestätigt. Entsprechende Untersuchungen an SAM-Schichten (Self Assembled Monolayer) aus Biphenylthiol und para-Terphenylthiol werden vorgestellt. XPS-Messungen (X-ray Photoelectron Spectroscopy) an den orientierten para-Hexaphenyl-Proben werden mit der aus den Bandstruktur-Rechnungen gewonnenen Zustandsdichteund UPS-Messungen verglichen. Aus den XPS-Messungen an den para-Hexaphenyl- und para-Quaterphenyl-Proben werden durch Auswertung der Shake-up-Satellitenstruktur der C1s-Peaks die Bandlücken der Materialien bestimmt. Im Rahmen von Voruntersuchungen wurden strahleninduzierte Schäden an gesättigten Kohlenwasserstoffketten mittels XPS festgestellt, die aber bei den ungesättigten Kohlenwasserstoffketten nicht auftreten.

Single levitated microdroplets of sodium chloride, potassium chloride, and natural seawater are investigated under conditions similar to that in the troposphere by using the electrodynamic balance technique. The thermodynamics and the kinetics of liquid-to-solid phase transitions have been investigated as a function of temperature and humidity. The temperature dependence of the critical partial pressure of water vapor over aqueous supersaturated aerosol droplets allows us to determine negative values for the integral heat of solution of KCl, NaCl and Mediterranean Sea droplets. In addition, the rates of homogeneous nucleation from supersaturated solution droplets are reported, where the data are fitted with three exponential functions to give three values for the nucleation rates. The phase transition processes which occur on different time scales are identified. The investigation of natural sea salt aerosol droplets collected from the Mediterranean Sea, Atlantic Ocean, Pacific Ocean, North Sea, and Suez Canal show that the phase change (liquid-to-solid) can occur at relative humidities that are greater than 33% RH, where the deliquescence humidity of MgCl2 is known to occur. It is found that there are slight variations (either a decrease or an increase) in water vapor pressure over the supersaturated aerosol droplets due to the change in water salinity, organic components that are present in the water sample, the depth, where the water sample is gathered, and its geographic location. The experimental results show that the presence of the organic substances in the aerosol particles affects the crystallization process depending on the amount and the type of the organic substance. It is observed that adding 1-heptanol to a NaCl droplet increases the crystallization diameter, which is attributed to the formation of a layer of the organic substance on the droplet surface, so that water evaporation cannot efficiently occur.

In dieser Arbeit steht die Untersuchung der Reaktivität von Fluorid-Oberflächen mit gasförmigem Wasser mittels atomar auflösender Nichtkontakt-Rasterkraftmikroskopie (NC-AFM) im Vordergrund. Neben der Erzeugung von Wasseradsorbaten auf Erdalkalifluorid(111)-Oberflächen beschäftigt sich die folgende Arbeit mit der Kontrastbildung, dem Adsorptionsverhalten und vor allem der gezielten lateralen Manipulation, also Verschiebung von adsorbiertem Wasser, auf den Fluorid-Oberflächen. Im Rahmen der Experimente der hier vorgelegten Arbeit konnte gezeigt werden, dass auf Erdalkalifluoriden zwei charakteristische Adsorbate entstehen, wenn die (111)-Oberflächen mit Wasser unter Ultrahochvakuumbedingungen behandelt werden. Das eine Adsorbat kann durch die Wechselwirkung mit der Spitze lateral manipuliert werden.Die in der vorliegenden Arbeit gezeigten Ergebnisse demonstrieren zum ersten Mal, dass die gezielte laterale Manipulation von Einzeladsorbaten auf Isolatoroberflächen mit der Methode der NC-AFM überhaupt möglich ist. Durch systematische Untersuchung des Manipulationsprozesses wurden Faktoren isoliert, mit denen die Manipulation gesteuert werden kann und Bedingungen identifiziert, unter denen die Kontrolle der Manipulation ganz besonders gut funktioniert. Um die experimentellen Ergebnisse zu verstehen, folgt ein Vergleich mit systematischen ab-inito Rechnungen auf Basis des VASP-Codes des Systems Wasser/Erdalkalifluorid und seiner Adsorbatmobilität.Damit konnte die These untermauert werden, dass die stationären Adsorbate Hydroxidionen sind, die anstelle von Fluorionen in die Oberfläche der Erdalkalifluoride eingebaut werden können.Die mobilen Adsorbate werden dagegen durch molekulares Wasser gebildet, welches an Punktdefekte der Oberfläche bindet. Die Arbeit schließt mit der Formulierung des wahrscheinlichen Manipulationsmechanismus ab.