In this work the first observation of new type of liquid crystals is presented. This is ionic self-assembly (ISA) liquid crystals formed by introduction of oppositely charged ions between different low molecular tectonic units. As practically all conventional liquid crystals consist of rigid core and alkyl chains the attention is focused to the simplest case where oppositely charged ions are placed between a rigid core and alkyl tails. The aim of this work is to investigate and understand liquid crystalline and alignment properties of these materials. It was found that ionic interactions within complexes play the main role. Presence of these interactions restricts transition to isotropic phase. In addition, these interactions hold the system (like network) allowing crystallization into a single domain from aligned LC state. Alignment of these simple ISA complexes was spontaneous on a glass substrate. <br><br> In order to show potentials for application perylenediimide and azobenzene containing ISA complexes have been investigated for correlations between phase behavior and their alignment properties. The best results of macroscopic alignment of perylenediimide-based ISA complexes have been obtained by zone-casting method. In the aligned films the columns of the complex align perpendicular to the phase-transition front. The obtained anisotropy (DR = 18) is thermally stable. The investigated photosensitive (azobenzene-based) ISA complexes show formation of columnar LC phases. It was demonstrated that photo alignment of such complexes was very effective (DR = 50 has been obtained). It was shown that photo-reorientation in the photosensitive ISA complexes is cooperative process. The size of domains has direct influence on efficiency of the photo-reorientation process. In the case of small domains the photo-alignment is the most effective. Under irradiation with linearly polarized light domains reorient in the plane of the film leading to macroscopic alignment of columns parallel to the light polarization and joining of small domains into big ones. <br><br> Finally, the additional distinguishable properties of the ISA liquid crystalline complexes should be noted: (I) the complexes do not solve in water but readily solve in organic solvents; (II) the complexes have good film-forming properties when cast or spin-coated from organic solvent; (III) alignment of the complexes depends on their structure and secondary interactions between tectonic units. / In dieser Arbeit wird erstmalig eine neue Klasse von Flüssigkristallen auf Basis ionischer Self-Assembly (ISA) Komplexe beschrieben. Während herkömmliche thermotrope Flüssigkristalle aus steifen, formanisotropen Molekülfragmenten und kovalent gebundenen Flügelgruppen (meist Alkylketten) bestehen, entstehen diese neuartigen supramolekularen Verbindungen durch die Komplexierung gegensätzlich geladener ionischer tektonischer Einheiten und Tenside. <br><br> Ziel der Arbeit war es, die flüssigkristallinen und insbesondere die Orientierungseigenschaften dieser neuen Materialien am Beispiel repräsentativer Modellverbindungen zu untersuchen. Es wurde nachgewiesen, dass die ionischen Wechselwirkungen die thermischen Eigenschaften der Verbindungen entscheidend beeinflussen. So behindern sie den Übergang in die isotrope Phase. Das System wird quasi durch ein Netzwerk ionischer Wechselwirkungen stabilisiert. Makroskopisch orientierte LC Zustände sind offensichtlich Ausgangspunkt für hochgeordnete flüssigkristalline Filme oder gar für die Kristallisation von Monodomänen. In speziellen Fällen erfolgt eine spontane Ausbildung von ISA Monodomänen bereits auf Glassubstraten. <br><br> Mit Hinblick auf potentielle Anwendungen wurden Perylendiimid und Azobenzen enthaltene ISA Komplexe insbesondere hinsichtlich von Zusammenhängen zwischen Phasenverhalten und Orientierungseigenschaften untersucht. Die zone-casting Methode erwies sich als besonders geeignet für die makroskopische Orientierung perylendiimidbasierter ISA Komplexe. In orientierten Filmen richten sich die Kolumnen des Komplexes senkrecht zur Phasenübergangsfront aus. Das dabei erreichte dichroitische Verhältnis (DR=18) ist thermisch stabil. Die untersuchten Azobenzen basierten ISA Komplexe weisen kolumnare LC Phasen auf. Durch Photoalignment mittels linear polarisierten Lichts werden Komplexe sehr effektiv senkrecht bzw. die Columnen der Komplexe parallel zur Polarisation des Lichtes orientiert, wobei sehr hohe DR bis zu 50 erreicht wurden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die Photo-Reorientierung photosensitiver ISA Komplexe kooperativ erfolgt. Die Größe der Domänen hat dabei einen entscheidenden Einfluß auf die Effektivität des Photo-Reorientierungsprozesses. So ist der Prozess im Fall kleiner Domänen effektiver. Durch die Bestrahlung mit linear polarisiertem Licht werden die Domänen in der Filmebene reorientiert, was zu einer makroskopischen Ausrichtung der Kolumnen parallel zur Lichtpolarisation und zu einer Vereinigung kleiner Domänen führt.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und die Charakterisierung von linearen, sternförmig und dendritisch verzweigten Carbosilanen mit Me2SiH-Funktionen, vorgestellt. So konnten oligomere Carbosilane mit CH2CH2CH2SiMe2- als auch CH2CH2SiMe2-Wiederholungseinheiten dargestellt werden. Als Aufbaureaktionen dienten sowohl Alkylierungsreaktionen mit Allylmagnesiumchlorid als auch Hydrosilylierungsschritte mit Chlordimethyl- und Chlordimethylvinylsilan. Die Überführung der SiMe2Cl-Gruppen in SiMe2H-Funktionen gelang durch die Umsetzung mit Lithiumaluminiumhydrid. Besonderes Augenmerk lag auf dem Nachweis und der Abtrennung der bei diesen Reaktionen auftretenden Nebenprodukten. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die NMR-spektroskopische Charakterisierung obiger Verbindungen, wobei insbesondere 2D-NMR-Methoden und die 29Si{1H}-NMR-Spektros-kopie zum Einsatz kamen. Für die Kohlenstoff-13-Signale dieser Verbindungen konnte aus den gewonnenen Daten der Einfluss der peripheren Substituenten in einem Inkrementensystem zusammengefasst und als Zuordnungshilfe herangezogen werden. Bisher fand ein Teil dieser Verbindungen als Bausteine in flüssigkristallinen Materialien (Arbeitskreis von Prof. Tschierske, Halle) Verwendung und erste Ergebnisse dazu werden diskutiert.

Mesoscopic structures in liquids have an impact on the diffusion dynamics of the constituting molecules. Smectic 8CB liquid crystals on silicon wafers show the formation of mesoscopic structures on the μm scale at a film thickness of 200 nm. Depending on the kind of substrate (thermally grown or native SiOx), we observed the formation of focal conic domains (FCDs) and a new type of terraced holes, respectively. Dynamics are described via single perylene diimide tracer molecule tracking of translational diffusion and in the case of FCDs by a combination of translation and rotation detected via fluorescence correlation spectroscopy. Tailoring perylene diimide molecules such that the optical transition dipole moment follows the liquid crystal director allows mapping out FCDs and investigating the dynamics within a single FCD.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Untersuchung molekularer organischer Adsorbate mit Hilfe der Raster-Tunnel-Mikroskopie und -Spektroskopie im Ultrahochvakuum (UHV). Als Modellsubstanzen dienen Coronen, verschiedene Phthalo-cyanin-farbstoffe sowie je ein nematischer und ein discotischer Flüssigkristall. Mono- und Submonolagen dieser Substanzen werden hinsichtlich ihrer Adsorbatstruktur auf kristallographisch definierten Festkörper-oberflächen untersucht. Die dabei gewonnenen STM-Bilder zeigen die molekular und submolekular aufgelöste Struktur der Adsorbate. Die Untersuchung von Submonolagen zweier Metall-Phthalocyanine bei tiefen Temperaturen zeigt eine Bildung molekularer Ketten. Zur Ermittlung der elektronischen Eigenschaften der Moleküle werden molekulare Mono- und Submonolagen mit Hilfe der Raster-Tunnel-Spektroskopie (STS) bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen untersucht. Einige der Substanzen ermöglichen die Messung sehr stabiler lokaler Tunnelstromkennlinien. Die Ergebnisse der STS-Experimente an Coronen werden mit Resultaten von ab-initio-Rechnungen der Molekül-orbitalstruktur verglichen. / The work describes experimental investigations of molecular organic adsorbates in ultra high vacuum (UHV) by scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). Coronene, several phthalocyanine dyes, and both a nematic and a discotic liquid crystal are chosen as model substances. Mono- and submonolayers of these substances adsorbed onto crystallographically well-defined surfaces are observed by STM with regard to their adsorbate structure. The STM images reveal the molecular and intramolecular structure of the adsorbates. Submonolayers of two metal phthalocyanines, observed at low temperatures, reveal the formation of molecular chains. With special regard to the electronic properties, such ultra thin films are investigated by scanning tunneling spectroscopy (STS), both at room temperature and at helium-cooled low temperatures. Some of the substances allow the collection of very stable local STS curves. The STS data coincide very well with the results of ab-initio calculations of their molecular orbital structure.

In der vorliegenden Arbeit wird die Synthese und die Charakterisierung von linearen, sternförmig und dendritisch verzweigten Carbosilanen mit Me2SiH-Funktionen, vorgestellt. So konnten oligomere Carbosilane mit CH2CH2CH2SiMe2- als auch CH2CH2SiMe2-Wiederholungseinheiten dargestellt werden. Als Aufbaureaktionen dienten sowohl Alkylierungsreaktionen mit Allylmagnesiumchlorid als auch Hydrosilylierungsschritte mit Chlordimethyl- und Chlordimethylvinylsilan. Die Überführung der SiMe2Cl-Gruppen in SiMe2H-Funktionen gelang durch die Umsetzung mit Lithiumaluminiumhydrid. Besonderes Augenmerk lag auf dem Nachweis und der Abtrennung der bei diesen Reaktionen auftretenden Nebenprodukten. Einen Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die NMR-spektroskopische Charakterisierung obiger Verbindungen, wobei insbesondere 2D-NMR-Methoden und die 29Si{1H}-NMR-Spektros-kopie zum Einsatz kamen. Für die Kohlenstoff-13-Signale dieser Verbindungen konnte aus den gewonnenen Daten der Einfluss der peripheren Substituenten in einem Inkrementensystem zusammengefasst und als Zuordnungshilfe herangezogen werden. Bisher fand ein Teil dieser Verbindungen als Bausteine in flüssigkristallinen Materialien (Arbeitskreis von Prof. Tschierske, Halle) Verwendung und erste Ergebnisse dazu werden diskutiert.

The generation and application of human stem-cell-derived functional neural circuits promises novel insights into neurodegenerative diseases. These networks are often studied using stem-cell derived random neural networks in vitro, with electrical stimulation and recording using multielectrode arrays. However, the impulse response function of networks is best obtained with spatiotemporally well-defined stimuli, which electrical stimulation does not provide. Optogenetics allows for the functional control of genetically altered cells with light stimuli at high spatiotemporal resolution. Current optogenetic investigations of neural networks are often conducted using full field illumination, potentially masking important functional information. This can be avoided using holographically shaped illumination. In this article, we present a digital holographic illumination setup with a spatial resolution of about 8 µm, which suffices for the stimulation of single neurons, and offers a temporal resolution of less than 0.6 ms. With this setup, we present preliminary single-cell stimulation recording of stem-cell derived induced human neurons in a random neural network. This will offer the opportunity for further studies on connectivity in such networks.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung neuer sternförmiger Mesogene. Bei den aufgeführten Sternverbindungen, handelt es sich um Oligobenzoate, bestehend aus aromatischen Hydroxy- oder Aminocarbonsäuren, die durch Kupplungsreaktionen mit Dicylohexycarbodiimid, in einer konvergenten Synthesestrategie verknüpft wurden. Das besondere Augenmerk der Arbeit richtete sich auf die Charakterisierung der von den neuen Substanzen gebildeten Mesophasen, die mit Hilfe von Polarisationsmikrokopie, dynamischer Differenzialkalorimetrie und Röntgenstreuung erfolgte. Zur Aufklärung spezieller dreidimensionaler Strukturen wurden als zusätzliche Methoden die Rasterkraftmikroskopie angewandt und der Zirkulardichroismus untersucht.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Untersuchung molekularer organischer Adsorbate mit Hilfe der Raster-Tunnel-Mikroskopie und -Spektroskopie im Ultrahochvakuum (UHV). Als Modellsubstanzen dienen Coronen, verschiedene Phthalo-cyanin-farbstoffe sowie je ein nematischer und ein discotischer Flüssigkristall. Mono- und Submonolagen dieser Substanzen werden hinsichtlich ihrer Adsorbatstruktur auf kristallographisch definierten Festkörper-oberflächen untersucht. Die dabei gewonnenen STM-Bilder zeigen die molekular und submolekular aufgelöste Struktur der Adsorbate. Die Untersuchung von Submonolagen zweier Metall-Phthalocyanine bei tiefen Temperaturen zeigt eine Bildung molekularer Ketten. Zur Ermittlung der elektronischen Eigenschaften der Moleküle werden molekulare Mono- und Submonolagen mit Hilfe der Raster-Tunnel-Spektroskopie (STS) bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen untersucht. Einige der Substanzen ermöglichen die Messung sehr stabiler lokaler Tunnelstromkennlinien. Die Ergebnisse der STS-Experimente an Coronen werden mit Resultaten von ab-initio-Rechnungen der Molekül-orbitalstruktur verglichen. / The work describes experimental investigations of molecular organic adsorbates in ultra high vacuum (UHV) by scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). Coronene, several phthalocyanine dyes, and both a nematic and a discotic liquid crystal are chosen as model substances. Mono- and submonolayers of these substances adsorbed onto crystallographically well-defined surfaces are observed by STM with regard to their adsorbate structure. The STM images reveal the molecular and intramolecular structure of the adsorbates. Submonolayers of two metal phthalocyanines, observed at low temperatures, reveal the formation of molecular chains. With special regard to the electronic properties, such ultra thin films are investigated by scanning tunneling spectroscopy (STS), both at room temperature and at helium-cooled low temperatures. Some of the substances allow the collection of very stable local STS curves. The STS data coincide very well with the results of ab-initio calculations of their molecular orbital structure.

A new method, probability distribution of diffusivities (time scaled square displacements between succeeding video frames), was developed to analyze single molecule tracking (SMT) experiments. This method was then applied to SMT experiments on ultrathin liquid tetrakis(2-ethylhexoxy)silane (TEHOS) films on Si wafer with 100 nm thermally grown oxide, and on thin semectic liquid crystal films. Spatial maps of diffusivities from SMT experiments on 220 nm thick semectic liquid crystal films reveal structure related dynamics. The SMT experiments on ultrathin TEHOS films were complemented by fluorescence correlation spectroscopy (FCS). The observed strongly heterogeneous single molecule dynamics within those films can be explained by a three-layer model consisting of (i) dye molecules adsorbed to the substrate, (ii) slowly diffusing molecules in the laterally heterogeneous near-surface region of 1 - 2 molecular diameters, and (iii) freely diffusing dye molecules in the upper region of the film. FCS and SMT experiments reveal a strong influence of substrate heterogeneity on SM dynamics. Thereby chemisorption to substrate surface silanols plays an important role. Vertical mean first passage times (mfpt) in those films are below 1 µs. This appears as fast component in FCS autocorrelation curves, which further contain a contribution from lateral diffusion and from adsorption events. Therefore, the FCS curves are approximated by a tri-component function, which contains an exponential term related to the mfpt, the correlation function for translational diffusion and a stretched exponential term for the broad distribution of adsorption events. Lateral diffusion coefficients obtained by FCS on 10 nm thick TEHOS films, thereby, are effective diffusion coefficients from dye transients in the focal area. They strongly depend on the substrate heterogeneity. Variation of the frame times for the acquisition of SMT experiments in steps of 20 ms from 20 ms to 200 ms revealed a strong dependence of the corresponding probability distributions of diffusivities on time, in particular in the range between 20 ms and 100 ms. This points to average dwell times of the dye molecules in at least one type of the heterogeneous regions (e.g. on and above silanol clusters) in the range of few tens of milliseconds. Furthermore, time series of SM spectra from Nile Red in 25 nm thick poly-n-alkyl-methacrylate (PnAMA) films were studied. In analogy to translational diffusion, spectral diffusion (shifts in energetic positions of SM spectra) can be studied by probability distributions of spectral diffusivities, i.e. time scaled square energetic displacements. Simulations were run and analyzed to study contributions from noise and fitting uncertainty to spectral diffusion. Furthermore the effect of spectral jumps during acquisition of a SM spectrum was investigated. Probability distributions of spectral diffusivites of Nile Red probing vitreous PnAMA films reveal a two-level system. In contrast, such probability distributions obtained from Nile Red within a 25 nm thick poly-n-butylmethacrylate film around glass transition and in the melt state, display larger spectral jumps. Moreover, for longer alkyl side chains a solvent shift to higher energies is observed, which supports the idea of nanophase separation within those polymers.

Im ersten Teil der Arbeit werden Graphen sowie von Monolagen von auf Nanometer großen Graphenen basierenden Hexa-peri(Dodekyl)-Hexabenzocoronen-Molekülen (HBC-C12), adsorbiert auf Graphen, mit Rastertunnelmikroskopie und –spektroskopie an der Fest-Flüssig-Grenzfläche untersucht. Nanographen-Moleküle selbstaggregieren epitaktisch zu hochgeordneten Monolagen. Die Einheitszellen der Moleküllagen auf Monolage Graphen, Bilage Graphen und auf Graphit sind ununterscheidbar. Die Strukturen der Moleküllagen auf gewellten und flachen Teilen des Graphens stimmen überein. Strom-Spannungs-Kennlinien an Nanographen auf Graphen und auf Graphit weisen auf sehr ähnliche elektronische Eigenschaften hin. Zusammengefasst sind strukturelle sowie elektronische Eigenschaften der Nanographenlage homogen, stabil und definiert. Graphen erweist sich als bestens als Substrat und gleichzeitig als Elektrode für hochgeordnete Lagen von Nanographen-Molekülen geeignet. Im zweiten Teil der Arbeit wird Graphen mit der Sonde eines Rasterkraftmikroskops im Kontaktmodus mechanisch manipuliert. Es wird gezeigt, dass Graphen in nur einem Manipulationsschritt zu Streifen und Spalt geschnitten werden kann. Dieses Verhalten wird mit einem klassischen Modell des Biegens theoretisch erklärt. Das Schnittverhalten liegt in der 2-Dimensionalität des Graphens sowie in dessen Faltbarkeit auf Grund hinreichender Elastizität begründet. Durch mechanische Manipulation mit der Sonde des Rasterkraftmikroskops im Kontaktmodus unter atmosphärischen Bedingungen wird eine Flüssigkeitsschicht zwischen Graphen und dem Siliziumdioxidsubstrat nachgewiesen, welche eine mögliche Erklärung des stark kraftabhängigen Materialkontrasts zwischen Graphen und Siliziumdioxid im Amplitudenmodulationsmodus des Rasterkraftmikroskops darstellt. Weiter wird gezeigt, dass das Falten des Graphens durch mechanische Manipulation eine geeignete Methode zur Herstellung nicht epitaktisch aufeinander gestapelter Graphene darstellt. / In the first part of the thesis graphene as well as monolayers of hexa-peri(dodecyl)-hexabenzocoronene molecules (HBC-C12) based on nanometer sized graphenes adsorbed on graphene is investigated by scanning tunnelling microscopy and tunneling spectroscopy at the solid-liquid interface. The nanographene molecules self-assemble on graphene epitaxially to form highly ordered monolayers. The unit cells of the molecular layers on monolayer graphene, bilayer graphene and on graphite appear identical. The structures of the molecular layers occur equal on corrugated and on flat parts of graphene. Current-voltage-characteristics show that the electronic properties of nanographene on graphene and on graphite are very similar. Summarized, structural as well as electronic properties of the nanographene layer are homogeneous, stable and defined. Graphene proves to be excellently qualified for simultaneously being substrate as well as electrode for highly ordered layers of nanographene based molecules. In the second part of the thesis graphene is mechanically manipulated in air in contact mode of a scanning force microscope. It is shown that a single manipulation process can lead to a stripe cut out of graphene. This behaviour is theoretically explained by a classical bending model. The cutting behavior originates from the 2-dimensionality of graphene and its folding ability because of sufficient elasticity. A liquid layer between graphene and the silicon dioxide substrate is verified by mechanical manipulation in contact mode of a scanning force microscope. Hence a possible explanation could be found for the strongly force dependent material contrast between graphene and silicon dioxide in amplitude modulation mode of the scanning force microscope. Further, it is demonstrated that folding graphene by mechanical manipulation is a proper method for the production of graphene stacked on each other non-epitaxially.