Verlustarmer Ladungsträgertransport ist für die Realisierung effizienter und kleiner elektronischer Bauteile von großem Interesse. Dies hilft entstehende Wärme zu minimieren und den Energieverbrauch gleichzeitig zu reduzieren. Einzelne Streuprozesse, die den Verlust bei Ladungsträgertransport bestimmen, laufen jedoch auf Längenskalen von Nano- bis Mikrometern ab. Um diese detailliert untersuchen zu können, bedarf es Messmethoden mit hoher zeitlicher oder örtlicher Auflösung. Für Letztere gibt es wenige etablierte Experimente, häufig basierend auf der Rastertunnelmikroskopie, welche jedoch verschiedenen Einschränkungen unterliegen. Um die Möglichkeiten der Detektion von Ladungsträgertransport auf Distanzen der mittleren freien Weglänge und damit im ballistischen Regime zu verbessern, wurde im Rahmen dieser Dissertation die Molekulare Nanosonde charakterisiert und etabliert. Diese Messmethode nutzt ein einzelnes Molekül als Detektor für Ladungsträger, welche mit der Sondenspitze des Rastertunnelmikroskops (RTM) wenige Nanometer entfernt vom Molekül in das untersuchte Substrat injiziert werden. Die hohe Auflösung des RTM in Kombination mit der geringen Ausdehnung des molekularen Detektors ermöglicht dabei atomare Kontrolle von Transportpfaden über wenige Nanometer. Der erste Teil dieser Arbeit widmet sich der Charakterisierung der Molekularen Nanosonde. Hierfür werden zunächst die elektronischen Eigenschaften dreier Phthalocyanine mittels Rastertunnelspektroskpie untersucht, welche im Folgenden zur Charakterisierung des Moleküls als Detektor Anwendung finden. Die anschließende Analyse der Potentiallandschaft der Tautomerisation von H2Pc und HPc zeigt, dass die NH- Streckschwinung einem effizienten Schaltprozess zu Grunde liegt. Darauf basierend wird der Einfluss der Umgebung anhand von einzelnen Adatomen sowie des Substrats selbst auf den molekularen Schalter analysiert. In beiden Fällen zeigt sich eine signifikante Änderung der Potentiallandschaft der Tautomerisation. Anschließend wird der Einfluss geometrischer Eigenschaften des Moleküls selbst untersucht, wobei sich eine Entkopplung vom Substrat auf Grund von dreidimensionalen tert-Butyl-Substituenten ergibt. Zusätzlich zeigt sich bei dem Vergleich von Naphthalocyanin zu Phthalocyanin der Einfluss lateraler Ausdehnung auf die Detektionsfläche, was einen nicht-punktförmigen Detektor bestätigt. Im letzten Abschnitt werden zwei Anwendungen der Molekularen Nanosonde präsentiert. Zunächst wird mit Phthalocyanin auf Ag(111) demonstriert, dass die Interferenz von ballistischen Ladungsträgern auf Distanzen von wenigen Nanometern mit dieser Technik detektierbar ist. Im zweiten Teil zeigt sich, dass der ballistische Transport auf einer Pd(110)-Oberfläche durch die anisotrope Reihenstruktur auf atomarer Skala moduliert wird. / Low-loss charge carrier transport is of great interest for the realization of efficient and small electronic components. Improvements would minimize heat generation and reduce energy consumption at the same time. However, individual scattering processes that determine the loss in charge carrier transport occur on length scales from nanometers to micrometers. To study these in detail, measurement methods with high temporal or spatial resolution are required. For the latter, few established experiments exist, often based on scanning tunneling microscopy, which are however subject to various limitations. In order to improve the possibilities of detecting charge carrier transport at distances of the mean free path and thus in the ballistic regime, the molecular nanoprobe was characterized and established in this dissertation. This measurement technique uses a single molecule as a detector for charge carriers, which are injected into the substrate under investigation with the scanning tunneling microscope (STM) tip a few nanometers away from the molecule. The high resolution of the STM combined with the small size of the molecular detector allows atomic control of transport paths over a few nanometers. The first part of this work is devoted to the characterization of the molecular nanoprobe. For this purpose, the electronic properties of three phthalocyanines are first investigated by scanning tunneling spectroscopy, which will be applied in the following studies to characterize the molecular detector. The subsequent analysis of the potential landscape for tautomerization within H2Pc and HPc reveals that the N-H stretching mode underlies an efficient switching process. Based on these findings, the influence of the direct environment on the molecular switch is analyzed by means of individual adatoms as well as the substrate itself. In both cases, a significant change in the potential landscape of the tautomerization is shown. Subsequently, the influence of geometric properties of the molecule itself is investigated, revealing a decoupling from the substrate due to three-dimensional tert-butyl substituents. In addition, the comparison through naphthalocyanine to phthalocyanine reveals the influence of lateral expansion on the detection area, confirming a non-point molecular detector. In the last section, two applications of the molecular nanoprobe are presented. First, using phthalocyanine on Ag(111), it is demonstrated that the interference of ballistic charge carriers at distances of a few nanometers is detectable with this technique. In the second part, it is shown that the anisotropic Pd(110) surface structure leads to a strong modulation of the ballistic transport on the atomic scale.

In this work, the laser control of molecules was investigated theoretically. In doing so, emphasis was layed on entering vectorial properties and in particular the orientation in the laboratory frame. Therefore, the rotational degree of freedom had to be included in the quantum mechanical description. The coupled vibrational and rotational dynamics was examined, which is usually not done in coherent control theory. Local control theory was applied, where the field is determined from the dynamics of a system, which reacts with an instantaneous response to the perturbation and, in turn, determines the field again. Thus, the field is entangled with the quantum mechanical motion and the presented examples document, that this leads to an intuitive interpretation of the fields in terms of the underlying molecular dynamics. The limiting case of a classical treatment was shown to give similar results and hence, eases to understand the complicated structure of the control fields. In a different approach, the phase- and amplitude shaping of laser fields was systematically studied in the context of controlling population transfer in molecules. / Das Ziel dieser Arbeit war die theoretische Analyse der Laserkontrolle von Molekülen. Ein Schwerpunkt lag dabei auf vektoriellen Eigenschaften und im Besonderen auf der Orientierung eines Moleküls im Laboratorium. Hierfür wurde der Rotationsfreiheitsgrad in die quantenmechanische Beschreibung einbezogen. Die Kopplung zwischen Vibrations- und Rotationsdynamik wurde explizit berücksichtigt, während dieser Vorgang normalerweise bei theoretischen Untersuchungen zur kohärenten Kontrolle vernachlässigt wird. Als Kontrollschema wurde die lokale Kontrolltheorie (LCT) verwendet, in der das Feld aus der Dynamik eines Systems bestimmt wird, welche sofort auf diese äußere Störung antwortet und damit wiederum das Feld bestimmt. Somit ist das Feld mit der quantenmechanischen Bewegung verknüpft. Die vorgestellten Beispiele dokumentieren, dass dies zu einer intuitiven Interpretation der Felder bzgl. der zu Grunde liegenden molekularen Dynamik führt. In der vereinfachten, klassischen Darstellung der Probleme findet man vergleichbare Resultate. Die klassische Sichtweise ermöglicht ein anschauliches Verständnis der komplizierten Strukturen der Kontrollfelder. Zusätzlich wurde mit einem anderen Ansatz die Phasen- und Amplitudenformung von Laserfeldern systematisch untersucht, wobei der Populationstransfer in Molekülen kontrolliert werden sollte.

In this thesis, soft x-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) studies of the electronic structure of selected organic molecules and liquids were carried out. The first part focuses on the used experimental techniques and the development of the instrumentation necessary for these studies, namely a soft x-ray spectrometer, and a temperature-controlled flow-through liquid cell. The former was optimized by a special analytical ray tracing method developed exclusively for this purpose. Due to its high transmission, the spectrometer facilitates a novel experimental approach of recording comprehensive 'RIXS maps', which are 2-dimensional plots of x-ray scattering intensities as a function of both, excitation and emission photon energy. The liquid cell extends these possibilities to the study of liquids, especially the interaction of molecules in liquids and their chemical reactions under well-controlled conditions. Organic molecules have attracted considerable attention in the last decade. The intense research activities related to these materials have two main motivations: on the one hand, organic molecules have a technological application as building blocks of organic semiconductors, while, on the other hand, organic molecules are the functional elements in biological systems. In order to cost-effectively produce optimized organic electronic devices, a fundamental knowledge of the electronic properties of the organic molecules interface is necessary. Therefore, many studies of the electronic structure of potential candidates for organic electronics exist. Two of these candidates, namely C60 and well-ordered multilayers PTCDA on a Ag(111) surface are investigated in this thesis. For the study of C60 molecules, a comprehensive 'RIXS map' was recorded and analyzed. The RIXS map taken in only 25 minutes allows a quantitative analysis of energy losses, yielding for example the HOMO-LUMO distance. It also identifies a core-excitonic state and facilitates a quantitative comparison of its binding energy with that of valence excitons in C60. Furthermore, decay channel-selective partial fluorescence yield XAS spectra can be extracted from the RIXS map, yielding information on the population of the core-excitonic state as a function of excitation energy. As a second model system of organic molecules relevant for organic electronics, PTCDA was chosen. The complex electronic structure of the occupied states of a highly ordered, flat-lying PTCDA multilayer on a Ag(111) surface was investigated by symmetry-resolved resonant x-ray emission spectroscopy. The rapidly occurring beam damage effects were characterized on the basis of irradiation-time dependent series of C and O x-ray emission spectra. Upon varying the excitation energy and emission geometry, atom- and symmetry-specific carbon K emission spectra with negligible beam damage effects were obtained that allow to distinguish between electronic states with sigma and pi symmetry. A density functional theory calculation of the PTCDA molecule reproduces the energy positions of the most prominent emission features remarkably well. In addition, the energy positions of the sigma and pi emissions agree well with the calculated energies of the respective orbitals. In order to shed light on the second aspect of organic molecules, namely their role in biological systems, first a detailed investigation of the electronic structure and proton dynamics of liquid water as the medium of most chemical and biochemical reactions was carried out. Therefore, a comprehensive oxygen K RIXS map of liquid water was recorded and analyzed in great detail. A temperature-dependent comparison with XAS and RIXS data of D2O, NaOH, and NaOD leads to the conclusion, that ultra-fast dissociation takes place in liquid water on the timescale of the oxygen 1s core hole lifetime, resulting in a characteristic spectral contribution in the RIXS spectra. The dissociation is promoted by intact hydrogen bonds with neighboring molecules. In consequence, the rate of dissociation directly depends on the initial hydrogen bond configuration. In the next step towards biologically relevant systems, the nitrogen K edges of the amino acids glycine and histidine were investigated in powderous form as well as in their native environment, namely in aqueous solution. X-ray absorption and emission spectra of the aqueous solutions were analyzed at pH-values of 6 and for glycine also at pH 12 and compared to the spectra of powders. A pH-value of 12 causes deprotonation of the amino group, leading to significant changes in the nitrogen spectra as compared to pH 6. The results from these four examples demonstrate that a wealth of novel information can be obtained by using the new experimental tools developed in this thesis, namely a highly sensitive x-ray spectrometer and a flow-through liquid cell. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der elektronischen Struktur ausgewählter organischer Moleküle und Flüssigkeiten mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS). Der erste Teil beschreibt die verwendeten spektroskopischen Methoden und die Entwicklung der dafür notwendigen Geräte, insbesondere eines Röntgenspektrometers und einer temperierten Durchflussnasszelle. Ersteres wurde mittels einer eigens dafür entwickelten analytischen Raytracing-Methode optimiert. Aufgrund seiner hohen Transmission ermöglicht das Spektrometer einen für weiche Röntgenstrahlung neuartigen experimentellen Ansatz, nämlich die Aufnahme einer umfassenden RIXS-Karte. Das ist eine 2-dimensionale Auftragung der Röntgenstreuintensität als Funktion der Anregungs- und der Emissionsphotonenenergie. Die Nasszelle erweitert diese experimentellen Möglichkeiten auf die Untersuchung von Flüssigkeiten. Organische Moleküle haben im letzten Jahrzehnt erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die intensiven Forschungsaktivitäten an diesen Materialen haben zwei Hauptmotivationen: einerseits haben organische Moleküle technologische Anwendung als organische Halbleiter, und andererseits sind organische Moleküle die funktionalen Einheiten in biologischen Systemen. Um optimierte organische Halbleiterbauelemente kostengünstig produzieren zu können, muss man über die elektronischen Eigenschaften der organischen Moleküle genauestens Bescheid wissen. Deshalb wurde bereits eine Vielzahl an Untersuchungen potentieller Kandidaten für organische Halbleiterbauelemente durchgeführt. Zwei dieser Kandidaten, nämlich C60 und wohlgeordnete Multilagen von PTCDA auf einer Ag(111)-Oberfläche werden in dieser Arbeit untersucht. Für die Untersuchung der C60 Moleküle wurde eine RIXS-Karte aufgenommen und analysiert, woraus sich direkt die HOMO-LUMO Distanz ergab. Außerdem lässt sich die Existenz eines rumpfexzitonischen Zustands beobachten, dessen Bindungsenergie man quantitativ mit der Valenzexzitonenbindungsenergie in C60 vergleichen kann. Überdies können aus der RIXS-Karte Zerfallskanal-selektive Fluoreszenzausbeute XAS Spektren extrahiert werden, die zum Beispiel Auskunft über die Besetzung des rumpfexzitonischen Zustands als Funktion der Anregungsenergie geben. Als zweites Modellsystem wurde PTCDA ausgewählt, das mittels symmetrieaufgelöster resonanter Röntgenemissionsspektroskopie untersucht wurde. Die dabei rasch einsetzenden Strahlenschäden wurden anhand von Bestrahlungsdauer-abhängigen Serien von Kohlenstoff- und Sauerstoffspektren charakterisiert. Durch Variation der Anregungsenergie und Emissionsgeometrie wurden atom- und symmetriespezifische Kohlenstoffspektren mit vernachlässigbarem Strahlenschaden gewonnen. Diese erlauben die Unterscheidung von elektronischen Zuständen mit sigma- und pi-Symmetrie. Eine Dichtefunktionaltheorie-Rechnung stimmt bemerkenswert gut mit den Energiepositionen der spektralen Signaturen überein. Darüberhinaus passen die spektralen sigma- und pi-Anteile zu den Symmetrien der berechneten Orbitale an den jeweiligen Energiepositionen. Um den zweiten Aspekt organischer Moleküle, nämlich ihre Rolle in biologischen Systemen zu beleuchten, war es zunächst notwendig, die elektronische Struktur und Protonendynamik von flüssigem Wasser zu studieren, das bekanntermaßen das Medium vieler chemischer und biochemischer Reaktionen darstellt. Zu diesem Zweck wurde eine vollständige RIXS-Karte der Sauerstoff K Kante aufgenommen und im Detail analysiert. Ein temperaturabhängiger Vergleich mit XAS and RIXS Daten von D2O, NaOH und NaOD erlaubt die Schlussfolgerung, dass ultra-schnelle Dissoziation auf der Zeitskala der Sauerstoff 1s Rumpflochlebensdauer in flüssigem Wasser stattfindet, die zu einer charakteristischen spektralen Signatur in den RIXS Spektren führt. Diese Dissoziation wird gefördert durch intakte Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten Wassermolekülen. Damit hängt die Dissoziationsrate direkt von der Ausgangskonfiguration der Wasserstoffbrückenbindungen ab. Im nächsten Schritt in Richtung biologisch relevanter Systeme wurde die Stickstoffkante der Aminosäuren Glyzin und Histidin sowohl in Pulverform als auch in wässriger Lösung untersucht. Röntgenabsorptions- und -emissionsspektren der wässrigen Lösungen wurden bei pH-Werten von 6 und im Falle des Glyzins auch bei pH 12 analysiert und mit den Pulverspektren verglichen. Ein pH-Wert von 12 führt zur Deprotonierung der Aminogruppe, was zu signifikanten Änderungen in der spektralen Signatur der Stickstoffspektren führt. Die Ergebnisse dieser vier Beispiele demonstrieren, dass eine Vielfalt neuartiger Information gewonnen werden kann durch die Anwendung der neuen experimentellen Werkzeuge, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, nämlich eines hochempfindlichen Röntgenspektrometers und einer Durchflussnasszelle.

Im Vordergrund dieser Arbeit stand die Synthese und strukturelle Charakterisierung penta- und hexakoordinierter Silicium(IV)-Komplexe. Im Verlauf dieser Untersuchungen wurden die neutralen pentakoordinierten Silicium(IV)-Komplexe 38, 39, 43−48, 54 und 55 dargestellt. Weiterhin konnten die neutralen hexakoordinierten Silicium(IV)-Komplexe 33−36,49, 50, 52, 53, 56−62, 63, 64 und 65 synthetisiert werden. Die Charakterisierung aller Verbindungen erfolgte durch Elementaranalyse, NMR-Spektroskopie in Lösung (1H, 13C, 15N, 29Si) und im Festkörper (13C, 15N, 29Si VACP/MAS NMR), sowie durch Kristallstrukturanalyse(außer 45, 47−49, 52, 53 und 63). / The main aim of this thesis was the synthesis and structural characterization of penta and hexacoordinate silicon(IV) complexes. In the course of these studies, the neutral pentacoordinate silicon(IV) complexes 38, 39, 43−48, 54 and 55 were prepared. Furthermore, the neutral hexacoordinate silicon(IV) complexes 33−36, 49, 50, 52, 53, 56−62, 63, 64 and 65 were synthesized. All compounds were characterized by elemental analyses, NMR spectroscopy in solution (1H, 13C, 15N, 29Si) and in the solid-state (13C, 15N, 29Si VACP/MAS NMR), as well as single-crystal X-ray diffraction (except 45, 47−49, 52, 53 and 63).

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Beiträge zur Chemie des höherkoordinierten Siliciums und Germaniums geleistet. Neben der Synthese zwitterionischer lambda-5-Si-Silicate sowie hexakoordinierter Silicium- und Germanium-Verbindungen mit SiO6- oder GeO6-Gerüst stellt die Synthese neutraler höherkoordinierter Silicium-Verbindungen ausgehend von Tetra(cyanato-N)silan und Tetra(thiocyanato-N)silan sowie deren umfassende Charakterisierung einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. / This thesis deals with the chemistry of higher-coordinate silicon and germanium. Besides the synthesis of zwitterionic lambda-5-Si-silicates and hexacoordinate silicon and germanium compounds with SiO6 and GeO6 skeletons, the synthesis of neutral higher-coordinate silicon compounds starting from tetra(cyanato-N)silane or tetra(thiocyanato-N)silane and their complete characterization is the major topic of this thesis.

This thesis contributes to the field of silicon chemistry, with a special emphasis on the chemistry of penta- and hexacoordinate silicon.The spirocyclic zwitterionic Lambda5Si-silicates 1–6 with a (2,2,6,6-tetramethylpiperidinio)- methyl group and two identical bidentate chelate ligands derived from glycine, (S)-alanine, (S)-phenylalanine, (S)-valine, (S)-tert-leucine, or (S)-proline bound to the silicon(IV) coordination center were synthesized and structurally characterized for the first time.The hitherto unknown spirocyclic zwitterionic Lambda5Si-silicates 7–12 with an (ammonio)- methyl group and two identical bidentate chelate ligands derived from (S)-lactic acid, (S)-3- phenyllactic acid, or (S)-mandelic acid were synthesized and structurally characterized in the solid state (elemental analyses (C, H, N), crystal structure analyses, 15N and 29Si VACP/MAS solid-state NMR experiments) and in solution (except 10; 1H, 13C, and 29Si NMR experiments)The spirocyclic zwitterionic Lambda5Si-silicates 13, 15, and 16 with an (ammonio)methyl group and two bidentate meso-oxolane-3,4-diolato(2–) ligands bound to the silicon(IV) coordination center were synthesized for the first time. The already existent compound 14 was resynthesized in order to perform a crystal structure analysis. All compounds were characterized by elemental analyses (C, H, N), 29Si VACP/MAS solid-state NMR experiments, and solution NMR studies (1H, 13C, 15N, and 29Si NMR experiments), and compounds 14–16 were additionally studied by single-crystal X-ray diffraction.The already existent zwitterionic Lambda5Si-silicate 17 was synthesized by new methods, including a remarkable Si–C cleavage reaction with benzoin. To investigate the dynamic behavior of the known zwitterionic Lambda5Si-silicate 18 in solution, VT 1H NMR experiments in CD2Cl2 were performed in the temperature range –100 °C to 23 °C.The hexacoordinate silicon compounds 19–22 containing multidentate ligands derived from citric acid or (S)-malic acid were synthesized for the first time. The anionic Lambda6Si-silicates 19–22 were structurally characterized in the solid state by single-crystal X-ray diffraction and VACP/MAS NMR spectroscopy (13C, 15N, 29Si). Upon dissolution in water at 20 °C, spontaneous hydrolysis of the Lambda6Si-silicate anions was observed. / Die vorliegende Arbeit stellt einen Beitrag zur Chemie des penta- und hexakoordinierten Siliciums dar.Erstmalig wurden die spirocyclischen zwitterionischen Lambda5Si-Silicate 1–6 synthetisiert und strukturell charakterisiert. In diesen Verbindungen des pentakoordinierten Siliciums sind eine (2,2,6,6-Tetramethylpiperidinio)methyl-Gruppe und zwei identische zweizähnige Chelat- Liganden, die sich von den α-Aminosäuren Glycin, (S)-Alanin, (S)-Phenylalanin, (S)-Valin, (S)-tert-Leucin oder (S)-Prolin ableiten, an das Si(IV)-Koordinationszentrum gebunden.Die spirocyclischen zwitterionischen Lambda5Si-Silicate 7–12 mit einer (Ammonio)methyl- Gruppe und zwei identischen Chelat-Liganden, die sich von (S)-Milchsäure, (S)-3- Phenylmilchsäure oder (S)-Mandelsäure ableiten, wurden erstmals synthetisiert. Die strukturelle Charakterisierung erfolgte durch Elementaranalysen (C, H, N), Festkörper-NMRSpektroskopie (15N- und 29Si-VACP/MAS-NMR) und durch 1H-, 13C-, 15N- und 29Si-NMRExperimente in Lösung. Die Existenz dieser Verbindungen wurde zusätzlich mittels Röntgenbeugung an Einkristallen bestätigt.Die bisher unbekannten spirocyclischen zwitterionischen Lambda6Si-Silicate 13, 15 und 16 mit einer (Ammonio)methyl-Gruppe und zwei identischen zweizähnigen meso-Oxolan-3,4- diolato(2–)-Liganden wurden synthetisiert. Die bereits bekannte Verbindung 14 wurde zur Anfertigung einer Kristallstrukturanalyse resynthetisiert. Die λ5Si-Silicate 13–16 wurden mit Hilfe elementaranalytischer (C, H, N), NMR-spektroskopischer Methoden (29Si-VACP/MASNMR; 1H-, 13C-, 15N- bzw. 29Si-NMR) charakterisiert. Die Verbindungen 14–16 wurden zusätzlich durch Einkristall-Röntgenstrukturanalysen charakterisiert.Das bereits bekannte zwitterionische Lambda5Si-Silicat 17 war über neue Syntheserouten zugänglich, die neben Si–O- auch eine bemerkenswerte Si–C-Bindungspaltungsreaktion unter milden Bedingungen beinhalten. Um mehr über das dynamische Verhalten des bereits bekannten zwitterionischen Lambda5Si-Silicats 18 in Lösung zu erfahren, wurden 1H-VT-NMRExperimente in dem Temperaturbereich zwischen –100 °C und 23 °C durchgeführt.Die hexakoordinierten Verbindungen 19–22 mit mehrzähnigen Liganden, die sich von Zitronensäure oder (S)-Äpfelsäure ableiten, wurden erstmalig synthetisiert. Die anionischen Lambda6Si-Silicate 19–22 wurden durch Einkristall-Röntgenstrukturanalysen und Festkörper-NMRspektroskopische Untersuchungen (13C-, 15N- bzw. 29Si- VACP/MAS-NMR) strukturell charakterisiert. Beim Auflösen der Verbindungen 19–22 in Wasser bei 20 °C wurde jeweils eine spontane Hydrolyse der Lambda6Si-Silicat-Anionen beobachtet.

In the frame of this thesis vibronic and electronic states of organic molecules have been examined. A central question is the interaction within and between the molecules in thin films and at metal-organic interfaces. The main experimental tools were high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) and high resolution near edge X-ray absortion fine structure (NEXFAS). The electronic and vibronic structure of thin NTCDA films was examined with low energy electrons as probe, i.e. HREELS. The spectra of the electronic excited molecular orbitals of submonolayer NTCDA on a Ag(111) shows a partially filled orbital. The interaction between this orbital and the total symetric molecular vibrations leads to the typical Fano peak profiles which are seen in the vibrational spectra. The sub-monolayer superstructure can be driven to a phase transition into an disordered phase upon cooling, which is also seen in the electronic and vibronic excitation spectra. Multilayers show flat lying or upright standing molecules as a function of the preparation conditions. The upright standing molecules show an island growth mode, where the islands are well ordered and exhibit a structure in diffraction experiments which can be attributed to the molecular crystal structure. In order to examine the order in more detail various thin films were examined using SPALEED as function of film thickness and preparation parameters. In case of a low temperature substrate no long range order leading to a diffraction pattern was found. In contrast growth on room temperature substrates leads to island growth of films in a structure of the molecular crystal, where two preferred orientations of the islands relative to the substrate were found. In case of thick films the reference to the substrate gets lost and the molecular crystals grow with a defined crystal direction with respect to the surface but with an arbitrary azimuthal orientation leading to circles in the diffraction pattern. NTCDA monolayers on a Ag(111) surface using HREELS as a tool were examined. The electronic excitation spectra reveal a partially filled molecular orbital which is strongly shifted compared to the multilayer. The existence of this state is responsible for the activation of normally forbidden Ag modes in the vibrational spectra. Due to the electron phonon coupling these modes exhibit a Fano like peak shape. Cooling a monolayer leads to a phase transition with strong changes in the spectroscopic features both in electronic and vibronic excitations. In case of the molecule ANQ the intramolecular interaction was examined. In the oxygen NEXAFS spectra a vibronic fine structure is found, which leads to the conclusion that asymmetric potentials are involved. It is an interesting question if the fundamental vibration is has C-H or C=O character. In order to address this question spectra of condensed and gas phase ANQ were compared to an ANQ derivate (ANQ- Br$_2$Cl$_2$), with the conclusion that the coupling is most likely to a C=O mode. High resolution C1s spectra of hydrogenated and fully deuterated naphthalene both in gas and condensed phase have been presented. Depending on the final state orbital distinct differences have been found between gas and condensed phase. A energetic shift of resonances (Res. B, C, D) is interpreted as effect of $\pi$-$\pi$ interaction in the condensed phase. This is especially notable for resonance B which is undoubtly assigned to an excitation into a $\pi^*$ orbital. The results lead to an interpretation, that for organic molecular crystals more than pure van-derWaals interaction has to be taken into account. In summary it is found that the intramolecular interaction in NEXAFS spectra is preferentially coupled to one or a few vibronic progressions. Due to the delocalized electronic system maybe even states which are not spatially near the core excited atom can be involved. It could be shown that a condensation of the molecules in thin films leads to changes within the spectra. The influence the intermolecular interaction can be clearly seen in this finding, where additional hints are found that more than mere van-der-Waals binding has to be taken into account. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden vibronische und elektronische Zustände großer organischer Moleküle untersucht. Eine zentrale Frage ist die Wechselwirkung innerhalb der Moleküle, zwischen Molekülen, in dünnen Filmen und an Metall-Organik Grenzflächen. Als experimentelle Methoden wurden Hochauflösende Elektronenenergie Verlust Spektroskopie (HREELS) und hoch auflösende Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) verwendet. Die elektronische und vibronische Struktur dünner NTCDA Schichten wurde mit HREELS untersucht. Die elektronischen Anregungsspektren von NTCDA Submonolagen auf einer Ag(111) Oberfläche zeigen ein teilgefülltes Molekülorbital, dessen Wechselwirkung mit totalsymmetrischen Molekülschwingungen zu den typischen asymmetrischen Fano Peaks führt. Die geordnete Monolage lässt sich durch Kühlung in eine ungeordnete Phase überführen, die deutliche Änderungen in den elektronischen und vibronischen Spektren zeigt. Multilagen ergeben in Abhängigkeit von den Präparationsbedingungen flach liegende bzw. fast aufrecht stehende Moleküle. Für aufrecht stehende Moleküle zeigen die Schichten Inselwachstum, wobei die Inseln wohlgeordnet sind und in Streuexperimenten eine Struktur zeigen, die dem Molekülkristall entsprechen. Um die geordneten NTCDA Schichten im Detail zu untersuchen, wurden die verschiedene Schichten in Abhängigkeit von Schichtdicke und Präparationsparametern untersucht. Es zeigt sich, dass sich auf einem gekühlten Substrat keine langreichweitige Ordnung ausbildet, die zu einem Beugungsbild führt. Auf einem Raumtemperatursubstrat dagegen zeigt sich, dass die Moleküle ein Inselwachstum in ihrer Molekülkristallstruktur bevorzugen, wobei zwei Orientierungen der Inseln relativ zum Substrat vorkommen. Bei dicken Schichten geht der Bezug zum Substrat verloren und die Kristallite wachsen mit einem definierten Oberflächenvektor, aber in unterschiedlicher azimutaler Orientierung, was zu Ringen im Beugungsbild führt. NTCDA Monolagen auf einer Ag(111) Oberfläche wurden mittels HREELS untersucht. Die elektronische Struktur der Spektren zeigt ein teilgefülltes Orbital, das im Vergleich mit den Multilagenspektren energetisch stark verschoben ist. Die Existenz dieses Zustandes führt dazu, dass Symmetrie-verbotene A$_g$ Moden in den Schwingungsspektren sichtbar werden. Die Kopplung von elektronischen mit vibronischen Zuständen führt zu den typischen Fano Peak Profilen. Beim Abkühlen dieser Monolagen ist ein Phasenübergang zu beobachten, der zu deutlichen Änderungen der elektronischen und vibronischen Spektren führt. Für das Molekül ANQ wurde die intramolekulare Wechselwirkung untersucht. In den Sauerstoff Spektren zeigt sich eine vibronische Feinstruktur, die auf ein asymmetrisches Potential schließen lässt. Interessant ist die Frage, ob es sich dabei um eine Kopplung an C-H oder an C=O Moden handelt. Um diese Frage zu erörtern wurden, Spektren aus der kondensierten und der Gasphase von ANQ und einem ANQ Derivat (ANQ- Br$_2$Cl$_2$) verglichen, wobei sich zeigt, dass es sich wahrscheinlich um eine Ankopplung an C=O Moden handelt. Hochaufgelöste C1s Spektren von normalem und völlig deuteriertem Naphthalin wurden sowohl in der kondensierten als auch in der Gasphase untersucht. In Abhängigkeit vom Endzustand wurden Unterschiede zwischen Gas- und kondensierter Phase beobachtet. Eine energetische Verschiebung der Resonanzen (Res. B, C, D) wird als Resultat der $\pi$-$\pi$ Wechselwirkung in der kondensierten Phase interpretiert. Dies ist besonders bemerkenswert für Resonanz B, da sie unzweifelhaft einer Anregung in ein $\pi^*$ zugeordnet werden kann. Die Resultate führen zu der Interpretation, dass für einige organische Molekülkristalle mehr als reine Van-der-Waals Wechselwirkung berücksichtigt werden muss. Insgesamt zeigt sich, dass die intramolekulare Wechselwirkung in NEXAFS Spektren eine Ankopplung an eine oder wenige vibronische Progressionen bevorzugt. Dabei können die elektronischen Anregungen wegen der delokalisierten Elektronensysteme auch vibronischen Zustände anregen, die nicht an dem angeregten Kohlenstoff Atom lokalisiert sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Kondensation der Moleküle in Filmen zu Änderungen im Spektrum führt. Der Einfluss der intermolekularen Wechselwirkung lässt sich daran deutlich erkennen, wobei es deutliche Hinweise gibt, dass mehr als reine van der Waals Bindung zur Erklärung berücksichtigt werden muss.

A primary focus of the semiconductor industry is the miniaturisation of active devices. This work shows an experimental approach to fabricate small three-terminal devices suitable for the characterisation of single molecules. The nanoelectrodes are fabricated by high resolution electron-beam lithography and electromigration. First measurements on buckyball and pentaphenylene molecules are presented. / Ein Fokus der Halbleiterindustrie liegt auf der Verkleinerung der aktiven Bauelemente. Diese Arbeit zeigt ein experimentelles Verfahren sehr kleine dreipolige Bauteile herzustellen, welche sich zur Charakterisierung von einzelnen Molekülen eignen. Die Nanostrukturen werden über hochauflösende Elektronenstrahllithografie und Elektromigration hergestellt. Erste Messungen an Buckyball-Molekülen und Pentaphenylen-Molekülen werden gezeigt.

Die vorliegende Dissertation stellt einen Beitrag zur Chemie des höherkoordinierten Siliciums dar. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden neue neutrale penta- und hexakoordinierte Silicium(IV)-Komplexe, sowie deren benötigte Vorstufen dargestellt. Weiterhin wurde ein kationischer und ein zwitterionischer Silicium(IV)-Kompex synthetisiert. Die Charakterisierung dieser Verbindungen erfolgte durch Elementaranalysen, Festkörper-NMR-Spektroskopie (13C-, 15N-, 29Si- und 77Se-VACP/MAS-NMR) und Kristallstrukturanalysen. Ergänzend wurden einige Verbindungen durch NMR-Spektroskopie in Lösung (1H, 13C, 19F, 29Si, und 77Se) charakterisiert. / This dissertation deals with the chemistry of higher-coordinate silicon. In the course of these studies, novel neutral penta- and hexacoordinate silicon(IV) complexes and the needed precursors were prepared. Furthermore, one kationic and one zwitterionic silicon(IV) complex was synthesized. These compounds were characterized by elemental analyses, solid-state NMR spectroscopy (13C, 15N, 29Si, and 77Se VACP/MAS NMR), and single-crystal X-ray diffraction. In addition, some of these compounds were characterized by NMR spectroscopy in solution (1H, 13C, 19F, 29Si, and 77Se).

Die vorliegende Arbeit demonstriert an Hand von verschiedenen Modellsystemen wie detailliert sich die grundlegenden Eigenschaften molekularer Adsorbate mit der winkelaufgelösten Photoemission erkunden lassen. Die von Peter Puschnig et al. vorgestellte Verknüpfung zwischen Photoemissionsintensität und den Molekülorbitalen im Grundzustand mittels einer Fouriertransformation war dabei entscheidend, um die verschiedenen physikalischen Effekte einordnen und verstehen zu können. Während für Coronen oder HBC die Orbitale im Grundzustand sehr gut zum Experiment passen, lassen sich für PTCDA und NTCDA einige Abweichungen von der DFT-Rechnung auf Basis der (semi-)lokalen GGA- oder LDA-Funktionale erkennen, die sich bei Messungen mit s-Polarisation hervorheben lassen. Diese können auf den Einfluss des Endzustandes in der Photoemission zurückgeführt werden. Im Rahmen der Dysonorbitale lassen sich die dafür verantwortlichen Relaxationseffekte zwischen dem N-Elektronensystem des Moleküls im Grundzustand und dem (N-1)-Elektronensystem des zurückbleibenden Kations explizit beschreiben. Die Berechnung des Photoemissionssignals mittels Fouriertransformation des Grundzustandes kann darüber hinaus weitere physikalische Effekte nicht korrekt berücksichtigen. Erste Anzeichen hierfür konnten am PTCDA-HOMO bei einer Photonenenergie von 27 eV und s-Polarisation detektiert werden. Darüber hinaus kann die Näherung des Photoelektronenendzustands als ebene Welle den beobachteten zirkularen Dichroismus am HOMO und LUMO von PTCDA nicht erklären. Erst in der Erweiterung durch eine Partialwellenzerlegung des Photoelektronenendzustands tritt ein dichroisches Signal in der theoretischen Beschreibung auf. Für das delokalisierte pi-Elektronensystem von PTCDA ist aber selbst diese Verfeinerung noch nicht ausreichend, um das Experiment korrekt beschreiben und weitere Eigenschaften vorhersagen zu können. Qualitativ lassen sich die Veränderungen im CDAD bei der Transformation um 90° für HOMO und LUMO mit einem gruppentheoretischen Ansatz verstehen. Damit ist es möglich, den molekularen Zuständen ihre irreduzible Darstellung zuzuweisen, worüber sich für PTCDA die Verteilung der quantenmechanischen Phase rekonstruieren lässt. Dies ist deshalb äußerst bemerkenswert, da üblicherweise in physikalischen Experimenten nur die Intensität und keine Informationen über die Phase messbar sind. Damit können die Photoemissionsmessungen im k||-Raum vollständig in den Realraum transformiert werden, wodurch die laterale Ortsinformation über die höchsten besetzen Molekülorbitale von PTCDA zugänglich wird. Neben der Bestimmung der molekularen Orbitale, deren Struktur von der Anordnung der Atome im Molekül dominiert wird, enthält die winkelaufgelöste Photoemission Informationen über die Adsorbat-Substrat-Wechselwirkung. Für hoch geordnete Monolagen ist es möglich, die verschiedenen Verbreiterungsmechanismen zu trennen und zu analysieren. Bei den untersuchten Systemen sind die Verbreiterungen aufgrund von unterschiedlichen Adsorptionsplätzen oder Probeninhomogenitäten ebenso wie die experimentelle Auflösung der 2D-Analysatoren vernachlässigbar gegenüber Lebensdauereffekten und evtl. Verbreiterung aufgrund von Dispersionseffekten. Bereits bei den äußerst schwach wechselwirkenden Systemen Coronen auf Ag(111) und Au(111) unterscheiden sich die beiden Systeme in ihrer Lorentzverbreiterung beim HOMO. In erster Näherung lässt sich dies auf eine Lebensdauer des entstandenen Photolochs zurückführen, welches je nach Stärke der Substratkopplung unterschiedlich schnell mit Substratelektronen aufgefüllt werden kann. Die Lorentzbreite als Indikator für die Wechselwirkung bzw. Hybridisierungsstärke zeigt für die Systeme mit Ladungstransfer vom Substrat in das Molekül eine sehr viel größere Verbreiterung. Zum Beispiel beträgt die Lorentzbreite des LUMO für NTCDA/Ag(110) FWHM=427 meV, und somit eine mehr als fünfmal so große Verbreiterung als für das HOMO von Coronen/Au(111). Diese starke Verbreiterung geht im Fall von NTCDA/Ag(110) wie auch bei den untersuchten Systemen NTCDA/Cu(100) und PTCDA/Ag(110) einher mit einem Ladungstransfer vom Substrat ins Molekül, sowie mit der Ausbildung eines zusätzlichen charakteristischen Signals in der Winkelverteilung des LUMO, dem Hybridisierungszustand bei kx,y=0Å-1. Die Intensität dieses Zustands korreliert bei den Systemen NTCDA auf Cu(100) bzw. auf Ag(110) jeweils mit der Lorentzbreite des LUMO-Zustands. Die Hybridisierung zwischen Molekül und Substrat hat noch weitere Auswirkungen auf die beobachtbaren physikalischen Eigenschaften. So führt die starke Hybridisierung mit dem Substrat wiederum dazu, dass sich die intermolekulare Dispersion für die Elektronen im LUMO-Zustand deutlich verstärkt. Der direkte Überlapp der Wellenfunktionen ist im System PTCDA/Ag(110) laut DFT-Rechnungen relativ klein und führt lediglich zu einer Bandbreite von 60 meV. Durch die Hybridisierung mit den delokalisierten Substratbändern erhöht sich der Grad der Delokalisierung im LUMO-Zustand, d.h. die Bandbreite steigt auf 230 meV, wie das Experiment bestätigt. Im Gegensatz zu früheren STM/STS-basierten Messungen [Temirov2006] kann mit der Kombination aus DFT-Rechnung und ARPES-Experiment eindeutig nachgewiesen werden, dass das Substrat im Fall von PTCDA/Ag(110) die Bandbreite verstärken kann, sodass sich die effektive Masse der Lochladungsträger von meff=3,9me auf meff=1,1me reduziert. Im Blick auf die eingangs gestellte Frage, ob sich molekulare Adsorbate eher wie isolierte Moleküle oder als periodische Festkörper beschreiben lassen, kommt diese Arbeit auf ein differenziertes Ergebnis. In den Impulsverteilungen, die sich aus der Form der molekularen Wellenfunktionen ableiten lassen, spiegelt sich eindeutig der isolierte molekulare Charakter wieder. Dagegen zeigt sich in der Energiedispersion E(k||) ein delokalisierter, blochartiger Charakter, und es konnte demonstriert werden, dass es zu einem Vermischen von Metall- und Molekülwellenfunktionen kommt. Molekulare Adsorbate sind also beides, isolierte Moleküle und zweidimensionale Kristalle mit delokalisierten Zuständen. / This work demonstrates the versatility of angular resolved photoemission (ARPES) in extracting fundamental properties of molecular condensates. With the technique proposed by Peter Puschnig et al., ARPES intensities of aromatic molecules can be linked to the absolute square of the fourier transformed molecular orbital. This allows experimentally identifying individual orbitals and understanding different physical mechanisms at the interface between an organic layer and a metal. This technique shows a clear agreement between theoretical intensity distributions, as e.g. derived from density functional theory (DFT), and the measurements on systems like coronene and HBC. Opposite to that, deviations occur on PTCDA and NTCDA for both local and semilocal density functionals, is s-polarized light is used. Additional measurements with different polarisation directions show, that relaxation effects in the final state lead to a mixing of the N-particle initial state with the N-1-particle final state. This phenomenon can be described theoretically within the framework of Dyson orbitals, in an approximate way already by introducing self-interaction corrected density functionals. Additional deviations from the simple approximation of the photoelectron by a plane wave can be made visible with circular polarised light. For the PTCDA HOMO and LUMO, circular dichroism appears in the angular distribution of the photoemission intensity, an effect that is by definition not included in the plane wave approximation. A refined approximation given by the partial wave expansion of the final state shows a distinct dichroism of both the HOMO and LUMO. But apparently this approximation is not able to describe the detailed circular dichroism angular distribution. In the future, this might be possible by applying the Independent Atomic Center (IAC) approximation including multiple intramolecular scattering. The origin of the dichroic signal can be elucidated by measurements with different incidence directions and applying group theory. The changes in the dichroism signal of the HOMO and LUMO upon rotation by 90° is different indicating on different irreducible representations for both states. This paves the way to reconstruct the intramolecular phase distribution for the rather simple PTCDA HOMO and LUMO. Access to this distribution is usually hindered by the measurement process itself due to the absolute square in the evaluation of the photoemission matrix elements. And finally with the knowledge of the intensity and the phase a transformation of the HOMO and LUMO to real space is possible. Next to the measurement of individual molecular orbitals, ARPES contains signatures from the molecule substrate interaction. For a unique identification of the several interaction mechanisms a commensurate lattice of molecules is indispensable. Otherwise different adsorption sites would sum up to a broad photoemission signal, both in energy and momentum direction. For the commensurate systems of coronene or HBC on the Ag(111) and Au(111) surfaces, this prerequisite is fulfilled. The analysis of the peak shape shows different Lorentzian broadenings of the adiabatic vibronic transition of the HOMO. This width can be approximately correlated to the lifetime of the photo hole. Therefor a stronger molecule metal interaction leads to a faster decay of the photo hole on the molecule and consequently to broader lorentzian line width. For example the lorentzian width of the hybridized NTCDA on Ag(110) is of FWHM=427 meV and therewith five times larger than the rather weakly interacting coronene on Au(111). The strong interaction for NTCDA on Ag(110) but also for the investigated systems NTCDA on Cu(100) and PTCDA on Ag(110) goes along with charge transfer from the substrate to the molecule, i.e. the LUMO gets filled for the molecules in the first layer. Moreover a hybridization occurs between the metal and the molecule resulting in an additional contribution to the LUMO in the momentum distribution at kx,y=0Å-1. In the direct comparison of the NTCDA/Ag(110) and NTCDA/Cu(100) adsorption systems, this intensity of this contribution can be linked to the interaction strength deduced from the lorentzian width of the respective LUMO. The hybridization has even more consequences on this interface system. The observable intermolecular band dispersion gets drastically enhanced due to the increased interaction strength mediated by the molecule substrate hybridization. The direct overlap of the PTCDA LUMO wave function is according to the DFT calculation rather small leading to a band width of only 60 meV. Opposite to that, the experiment as well as the calculation for a PTCDA layer adsorbed on a silver slab show a band width of 230 meV, which can only be explained by the additional adsorbate. And opposite to previous STM/STS measurements [Temirov2006] the observed substrate mediated band width enhancement is clearly observed for a molecular state, whose effective mass is reduced by this mechanism from meff=3,9me to meff=1,1me. In conclusion, this work demonstrates how the properties of electrons in molecules and at interfaces to a metal can be detected and characterised by the photoemission technique. If these systems are rather characterized by localized molecular orbitals than by delocalized bloch waves, depends on the individual properties. On the one hand the momentum dependency of the photoemission intensity of indivdual orbitals match nearly perfect the calculation on isolated molecules. On the other hand, the momentum dependent binding energies E(k||) show a bloch-like character, whose band width is amplified by the substrate interaction. This means, the molecular adsorbate is both, molecules and a 2D-crystal with delocalized states.