For the investigation of single molecules on surfaces, STM under UHV and at low temperatures is the experimental technique of choice. Inelastic STM is, furthermore, able to manipulate the target structures and to induce chemical reactions or to control single molecule mechanics precisely. This thesis presents inelastic STM experiments on three different molecules as a tool for the electronic manipulation at a single molecule level. The first part of this work concerns the on-surface synthesis of dodecacene, the longest acene molecule obtained so far. Acenes as smallest zigzag edge graphene nanoribbons and model 1D electronic system play an important role in both experimental and theoretical science. Due to the high reactivity and low solubility of long acenes, precursor molecules were deoxygenated step wise in an on-surface reaction triggered by inelastic tunneling and through annealing at increasing temperatures. The molecular structure was proven by high resolution STM employing a CO functionalized tip. Additionally, the electronic states of the molecule were observed in the energy spectrum by STS and their spatial distribution was measured in dI/dV maps. The increase in the band gap compared to shorter acenes was explained by increasing contributions of multiradical states to the electronic states and higher orbitals participating in virtual tunneling states. In the second part of this work, the inelastic tunneling effect was used to investigate the conversion of electrical into mechanical energy in azulene derivatives carrying a large dipole moment. Metal organic complexes consisting of gold adatoms and pristine as well as cleaved molecules were formed upon evaporation of BCA. These structures were identified with the aid of theoretical calculations. Voltage pulse experiments at different tunneling resistance revealed that the electric field in combination with the charge distribution of the structures is the origin of the motion. Metal organic complexes of cleaved molecules could be moved on the surface in a controlled way and driven along an arbitrarily chosen parcours. The third part of this work concerns the investigation of DMBI-P molecules as rotors for molecular machines. Demethylation during evaporation was used to create an open radical bond stably anchoring the molecule on the surface. This was utilized for a step wise rotation where the direction is controlled by the voltage sign and chirality of the molecule on the surface. A C-H stretch mode was identified as its origin, serving as energy entry channel excited by inelastic tunneling electrons. Temperature dependent measurements and theoretical calculations yielded the potential barrier for the rotation. / Rastertunnelmikroskopie (RTM) unter UHV Bedingungen und bei tiefen Temperaturen ist die experimentelle Methode der Wahl zur Untersuchung von Einzelmolekülen auf Oberflächen. Darüber hinaus ist inelastische RTM in der Lage, die Zielstrukturen zu manipulieren und chemische Reaktionen auszulösen oder die Mechanik der einzelnen Moleküle präzise zu kontrollieren. Diese Dissertation behandelt inelastische RTM-Experimente an drei verschiedenen Molekülen als Werkzeug zur elektronischen Manipulation einzelner Moleküle. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Oberflächensynthese von Dodecacen, des längsten bisher erzeugten Acens. Als kleinste Graphen-Nanobänder mit Zickzack-Rand und Modell für eindimensionale elektronische Systeme spielen Acene sowohl in Theorie als auch Experimentalphysik eine wichtige Rolle. Aufgrund der hohen Reaktivität und geringen Löslichkeit langer Acene wurden Vorläufermoleküle sowohl durch inelastisches Tunneln als auch durch Heizen des Substrates schrittweise deoxygeniert. Die Molekülstruktur wurde durch hochaufgelöste RTM mittels einer CO-funktionalisierten Spitze nachgewiesen. Zusätzlich konnten die elektronischen Zustände des Moleküls im Energiespektrum identifiziert und ihre räumliche Verteilung in dI/dV-Karten festgehalten werden. Die Vergrößerung der Bandlücke im Vergleich zu kürzeren Acenen konnte hierbei durch zunehmenden Einfluss multiradikaler Zustände auf den Grundzustand des Moleküls und den Beitrag höherer Molekülorbitale zu den virtuellen Tunnelzuständen erklärt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die inelastische RTM dazu genutzt, um die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische mittels Azulen-Derivaten mit großem Dipolmoment zu untersuchen. Bei der Verdampfung bilden diese metallorganische Komplexe aus Goldatomen und sowohl intakten als auch gespaltenen Molekülen. Deren Strukturen wurden mit Hilfe von Berechnungen identifiziert. Experimente mit Spannungspulsen bei unterschiedlichen Tunnelwiderständen enthüllten das elektrische Feld in Kombination mit der Ladungsverteilung der Strukturen als Ursprung der Bewegung. Die metallorganischen Komplexe aus gespaltenen Molekülen konnten zielgerichtet auf der Oberfläche durch einen zufällig gewählten Parcours bewegt werden. Der dritte Teil dieser Arbeit behandelt die Untersuchung von DMBI-P Molekülen zur Verwendung als Rotoren für molekulare Maschinen. Eine Demethylierung während der Verdampfung erzeugt eine offene Bindung, die das Molekül stabil auf der Oberfläche verankert. Dies wurde für eine schrittweise Rotation genutzt, deren Richtung durch das Vorzeichen der Spannung und die Chiralität auf der Oberfläche kontrolliert werden konnte. Eine C-H Streckschwingung dient hierbei als Eintrittskanal der durch inelastische Elektronen bereitgestellten Energie. Temperaturabhängige Messungen und theoretische Berechnungen lieferten die Potentialbarriere für die Rotation.

Die optoelektronischen Eigenschaften von inorganischen/organischen Hybridmaterialien (HIOS) sind besonders von der Kristallstruktur und der Ausrichtung der organischen Moleküle relativ zur inorganischen Oberfläche abhängig. Beides hängt von den kollektiven Wechselwirkungen der Materialien und von Transportprozessen wie etwa der Diffusion während der Deposition der organischen Materialien auf inorganischen Oberflächen ab. Durch die Komplexität solcher System sind jedoch viele Fragen im Bezug auf die gezielte Herstellung und Vorhersage von HIOS-Strukturen offen. Die Ziele dieser Arbeit sind daher (1) die theoretische Reproduktion der experimentell bekannten Einkristall-Struktur des weit verbreiteten organischen Moleküls para-Sexiphenyl (p-6P) und (2) die Untersuchung der Selbstdiffusion eines einzelnen p-6P auf einer inorganischen Zinkoxid (ZnO) Oberfläche. Die jeweiligen Systeme werden mittels klassischer atomistischer Molekulardynamik Simulationen und mit Methoden der klassischen Diffusionstheorie untersucht. Die Arbeit demonstriert, dass ein Modell basierend auf einem klassischen Kraftfeld die internen geometrischen und energetischen Eigenschaften eines realen p-6P Moleküls reproduziert. Wir simulieren die Selbstanordnung von p-6P zu Kristallen mit der experimentellen Einkristall-Struktur des p-6P und reproduzieren das reale Phasenverhalten des p-6P Kristalls. Wir untersuchen den Zusammenhang zwischen der Oberflächendiffusion eines p-6P und der elektrostatischen Kopplung zur ZnO (10-10)-Oberfläche. Wir entwickeln Strategien zur Berechnung von freie-Energie Landschaften, Diffusionskoeffizienten und Übergangsraten über Stufenkanten. Im Ergebnis hängen die Übergangsraten exponentiell von der Temperatur, der elektrostatischen Kopplung und der Höhe der Stufenkanten ab. Wir entdecken zudem zwei unterschiedliche Übergangspfade des p-6P über Stufenkanten, die von der Temperatur des Systems und von der elektrostatischen Kopplung abhängen. / The optoelectronic properties of hybrid inorganic/organic semiconductors strongly depend on the crystal structure and alignment of the molecules relative to the surface. Structure and alignment, in turn, depend on the surface-molecule and molecule-molecule interactions as well as transport processes such as diffusion during deposition of the organic molecules on an inorganic surface. However, due to their high complexity, fundamental questions pertaining to the design and prediction of HIOS structure are still unanswered. The aims of this thesis are therefore (1) to theoretically reproduce experimental bulk crystal structures of the widely used organic para-sexiphenyl molecule (p-6P) and (2) to investigate the self-diffusion of a single p-6P deposited on an inorganic Zincoxide (ZnO) surface. A multi-scale strategy is used, combining quantum density functional theory (DFT), all-atom molecular dynamics simulations, and classical diffusion theory. The thesis demonstrates that a classical force field model yields self-assembled bulk crystal structures and reproduces the real solid to liquid crystal phase behavior. The internal geometries and energies of the p-6P molecule and the structure of the p-6P bulk crystal are reproduced, all consistent with DFT and experiments. We investigate how the diffusion of the p-6P relates to the surface structure and the electrostatic coupling between the molecule and the ZnO (10-10) surface. We investigate by means of an advanced sampling strategy, free energy landscapes, diffusion coefficients and crossing rates over surface-step-edges. We find that the reciprocal values of the rates depend exponentially on the system temperature, the amplitude of the surface charges and the step-edge height, as well as linearly on the distance between equally high steps. We also discover two different crossing pathways for the molecule moving over the step, which simultaneously depend on the system temperature and the electrostatic coupling.

Organic solar cells (OSCs) is an emerging photovoltaic technology that opens up new application areas where common inorganic techniques are not able to score. Some of those key features are flexibility, light weight, semitransparency, and low cost processing. The current industry-standard for the transparent electrode, indium tin oxide (ITO), cannot provide these properties because it is brittle and expensive. This thesis aims to investigate an alternative type of promising transparent electrode: silver nanowire (AgNW) networks. They exhibit similar or even better optical and electrical performance than ITO down to a sheet resistance of 12 Ohm/sq at 84% transmission (including the glass substrate). Furthermore, AgNWs are more flexible, solution-processable, and more cost-effective than ITO. However, two challenges occur during implementation as bottom electrode in OSCs. First, their inherently high roughness causes devices to shunt. Second, the AgNW network structure exhibits – in contrast to the continuous ITO – µm²-sized voids that have to be bridged electrically by the organic layers. In the first part of this thesis, solution-processed small molecule charge transport layers are investigated. In the case of hole transport layers (HTL), the host BF-DPB and the dopant NDP9 are investigated using tetrahydrofuran as a solvent. It is shown that BF-DPB is already doped by NDP9 in solution via the formation of a hybrid molecule complex. Solution-processed layers exhibit similar conductivities as compared to the reference deposition, which is thermal evaporation in high vacuum. The layers sufficiently smoothen the AgNW electrode such that DCV5T-Me:C60 organic solar cells with an efficiency up to 4.4% are obtained. Moreover, the influence of the square micrometer large network voids is investigated using HTLs of varying conductivity. As a result, a minimum conductivity of 1e−4 S/cm is needed to avoid macroscopic performance losses. Equivalent circuit simulations are performed to confirm these results. As a second planarization method, the AgNWs are buried in an insulating polymer that serves concurrently as flexible and ultrathin substrate. Out of three different polymers tested, the optical adhesive ’NOA63’ gives the best results. The roughness is strongly reduced from 30 nm down to (2 ± 1) nm. Two different OSC types are employed as testing devices with fully-flexible alumina encapsulation against moisture ingress. Maximum power conversion efficiencies of 5.0% and 5.6% are achieved with a fullerene-free cascade layer architecture and a DCV5T-Me:C60 OSC, respectively. To evaluate the applicability of these fully-flexible and encapsulated devices, degradation studies are performed under continuous illumination and a humid climate. Although employing the intrinsically stable DCV5T-Me:C60 stack design, within one day a fast degradation of the fully-flexible solar cells is observed. The degradation is attributed to AgNW electrode failure that results from photo-oxidation and -sulfurization, photo-migration, and electromigration. It is further shown that the cascade organic solar cell lacks intrinsic stability. In summary, efficient, fully-flexible, and encapsulated devices are shown. However, in terms of competitive OSCs, the low stability of AgNW electrodes is a challenge to be taken care of. In current research, this issue needs to be addressed more frequently. / Organische Solarzellen (OSZ) sind ein junges Forschungsgebiet der Photovoltaik, welches neue Anwendungsgebiete erschließt, für die herkömmliche anorganische Solarzellen nicht einsetzbar sind. Einige der Haupteigenschaften sind Flexibilität, niedriges Gewicht, Teiltransparenz und geringe Herstellungskosten. Indiumzinnoxid (ITO), der aktuelle Industriestandard transparenter Elektrodentechnologie, ist nicht in der Lage, diese Eigenschaften zu gewährleisten. Dies liegt vor allem an der Brüchigkeit von ITO und der begrenzten Verfügbarkeit von Indium, welche mit einem hohen Preis einhergeht. Das Ziel dieser Dissertation ist die Integration einer alternativen und vielversprechenden Elektrodentechnologie: Netzwerke aus Silbernanodrähten (AgNWs). Mit einem Schichtwiderstand von 12 Ohm/sq bei einer Transmission von 84% (inklusive Glassubstrat) besitzen sie ähnliche oder sogar bessere optische und elektrische Eigenschaften als ITO. Des Weiteren sind AgNW-Elektroden flexibler und kostengünstiger als ITO und aus flüssiger Phase prozessierbar. Es gibt allerdings zwei Herausforderungen, welche die Integration als Grundelektrode in OSZ erschweren. Zum einen sind AgNW-Netzwerke sehr rauh, sodass organische Bauteile kurzgeschlossen werden. Zum anderen weisen AgNW-Elektroden, im Gegensatz zu einer vollflächigen ITO-Schicht, Lücken zwischen den einzelnen Drähten auf. Diese Lücken müssen von den organischen Schichten der OSZ elektrisch überbrückt werden. Im ersten Teil der Arbeit werden daher flüssigprozessierte Ladungsträgertransportschichten aus kleinen Molekülen untersucht, welche die AgNW-Elektroden glätten und die verhältnismäßig großen Lücken füllen sollen. Im Falle von Lochleitschichten (HTL) wird BF-DPB als Matrix und NDP9 als Dotand in Tetrahydrofuran gelöst und zur Anwendung gebracht. BF-DPB wird dabei schon in Lösung von NDP9 dotiert, wobei sich ein Hybridmolekülkomplex ausbildet. Die Leitfähigkeit der entstehenden Schichten ist ähnlich zu Referenzschichten, die durch thermisches Verdampfen im Hochvakuum hergestellt wurden. Die erhaltenen HTLs glätten die AgNW-Elektroden, sodass DCV5T-Me:C60-Solarzellen mit einer Effizienz von maximal 4.4% hergestellt werden können. Weiterhin wird der Einfluss der quadratmikrometergroßen Löcher auf die makroskopische Effizienz der Solarzelle in Abhängigkeit der HTL Leitfähigkeit untersucht. Um signifikante Effizienzverluste zu verhindern, muss der HTL eine minimale Leitfähigkeit von etwa 1e−4 S/cm aufweisen. Simulationen eines Ersatzschaltkreises bestätigen hierbei die experimentellen Ergebnisse. Im zweiten Teil der Arbeit wird eine Planarisierungsmethode untersucht, in welcher die AgNWs in nichtleitfähigen Polymeren eingebettet werden. Diese Polymere fungieren anschließend als flexibles Substrat. Der optische Kleber ”NOA63” erzielt hierbei die besten Ergebnisse. Die Rauheit der AgNW-Elektroden wird von etwa 30 nm auf 1 bis 3 nm stark reduziert. Anschließend werden diese AgNW-Elektroden in zwei unterschiedlichen OSZ Konfigurationen getestet und mit einer vollflexiblen Schicht aus Aluminiumoxid gegen Wasserdampfpermeation verkapselt. Somit können maximale Effizienzen von 5% mithilfe einer organischen Kaskadenstruktur und 5.6% mit DCV5T-Me:C60 OSZ erreicht werden. Um die Anwendbarkeit dieser vollflexiblen und verkapselten OSZ zu bewerten, werden Alterungsstudien unter konstanter Beleuchtung und feuchtem Klima durchgeführt. Es wird gezeigt, dass die in das Polymer eingebettete AgNW-Elektrode aufgrund von Photooxidation und -schwefelung und Photo- und Elektromigration instabil ist. Dieser Sachverhalt ist für die Anwendung von AgNW-Elektroden in kommerziellen OSZ von großer Bedeutung und wurde in der Forschung bisher nicht ausreichend thematisiert.

Polymere Nanostrukturen aus funktionalen synthetischen und biologischen Makromolekülen wurden an Grenzflächen und in dünnen Filmen selbstorganisiert, und dann mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie (SFM) - Techniken erforscht, um ein Verständnis auf molekularer Ebene zu entwickeln, das es erlaubt, ihre Eigenschaften kontrolliert einzustellen. Eine weit verbreitetes Polymer für die organische Elektronik, Poly(3-hexylthiophen), wurde in dünnen Filmen untersucht, um den Einfluß des Molekulargewichts auf die Ausbildung molekularer Nanostrukturen und die Korrelation mit den entsprechenden Transistor Eigenschaften und Ladungsträger-Beweglichkeiten zu bestimmen. Auf der Ebene einzelner Makromolekülen wurden dendronisierte Polymere untersucht. Zum ersten Mal wurde über die spontane Faltung einzelner synthetischer Polymerketten berichtet. Darüber hinaus ist es gelungen, seltene einzelne Polymertopologien wie z.B. Kettenverzweigung nachzuweisen, die nicht durch andere Methode nachweisbar sind. Die Komplexierung von doppelsträngiger-DNA (ds-DNA) mit amphiphilen kleinen Molekülen erlaubt es, makromolekulare Konformationen durch eine Molekulare Werkbank zu kontrollieren, die wesentlich in der vorliegenden Arbeit entwickelt wurde. Damit wurde es möglich, ds-DNA auf molekular modifizierten Graphit-Oberflächen zu spalten, auszustrecken, zu überdehnen, und schließlich zu brechen. Mit einer neu entwickelten "SFM Blowing"-Technik wurden überdrillte ds-DNA und synthetische Block-Copolymere aus DNA und Poly(ethylenglycol) vollständig auf einem atomar flachen Substrat ausgestreckt. Insgesamt liefert die vorliegende Arbeit neue Einblicke in hoch interessante funktionale polymere Nanostrukturen sowie neue Methoden für deren Untersuchung. Die Ergebnisse sind von großer Bedeutung für die Entwicklung von biologisch inspirierten, funktionalen molekularen Systemen, die letztlich nahe an physikalischen Grenzen operieren, etwa was die effiziente Nutzung von Materie und Energie angeht. / Polymeric nanostructures from highly attractive, functional synthetic and biological macromolecules were self-assembled at interfaces and in thin films, and then explored with Scanning Force Microscopy (SFM) techniques, in order to develop a molecular level understanding, which allows to control their properties. A widely used polymer for organic electronics, poly(3-hexylthiophene), was investigated in thin films in order to determine the role of molecular weight for the formation of molecular nanostructures, and the correlation with the corresponding transistor properties and charge carrier mobilities. On the level of single macromolecules, dendronized polymers, were investigated. For the first time, self-folding of single synthetic polymer chains into polymeric duplexes was reported. Moreover, it became possible to detect rare single polymer topologies, such as chain branching, which could not be detected by any other means so far. The complexation of plasmid double-stranded DNA (ds-DNA) with amphiphilic small molecules allowed to control the macromolecular conformation with a “Molecular Workbench”, developed largely within this thesis. It became possible to split, stretch, overstretch, and finally break ds-DNA on molecularly modified graphite surfaces. With a newly developed “SFM blowing” technique, supercoiled ds-DNA and also synthetic block copolymers from DNA and poly(ethyleneglycol) were fully stretched on an atomically flat substrate. Quantitative experiments allowed to estimate rupture forces of ds-DNA on a time scale on the order of as much as half an hour. In summary, this work presents new insight into highly interesting functional polymeric nanostructures as well as new methods for their investigation. The results are highly relevant for a rational development of biologically inspired functional molecular systems, which may ultimately operate close to physical limits as far as the efficient use of matter and energy is concerned.

Die Verwendung einzelner Moleküle als aktive Elemente elektronischer Bauteile wird derzeit als potentielle Alternative zur halbleiterbasierten Nanoelektronik angesehen, da einzelne Moleküle a priori nur einige Nanometer groß sind. Auß erdem kann dabei eventuell eine vereinfachte Verarbeitung und Herstellung der Bauteile erreicht werden. In dieser Arbeit werden das Selbstaggregationsverhalten und die Elektrontransporteigenschaften konjugierter Moleküle mit Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS) an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche und unter Ultrahochvakuumbedingungen bei tiefen Temperaturen untersucht. Ihre mögliche Verwendung in hybrid-molekularen Bauteilen als auch Ansätze für eine mono-molekulare Elektronik werden erkundet. Insbesondere wird die Nano-Phasenseparation von Elektron-Donor-Akzeptor-Multiaden an der Fest-Flüssig-Grenzfläche demonstriert, die zur Integration verschiedener elektronischer Funktionen auf der Nanoskala benutzt werden kann. Desweiteren wird die Abhängigkeit der elektronischen Kopplung scheibenförmiger gestapelter Moleküle vom lateralen Versatz innerhalb des Stapels experimentell nachgewiesen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten die elektronischen Eigenschaften solcher dreidimensionaler Architekturen gezielt zu beeinflussen. Außerdem werden die ersten RTM/RTS-Untersuchungen von Ladungstransferprozessen in einzelnen organischer Donor-Akzeptor-Komplexe präsentiert. Schließlich werden die Ladungstransferkomplexe mit dem Ansatz der Nano-Phasenseparation kombiniert, um den ersten Einzelmolekültransistor mit intergrierten Nanogates zu realisieren. In diesem prototypischen Bauteil wird die Strom-Spannungs-Kennlinie einer hybrid-molekularen Diode, die aus einem Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC) im Tunnelspalt eines RTMs besteht, durch einen kovalent an das HBC gebundenen Ladungstransferkomplex modifiziert. Dies wird als wichtiger Schritt in Richtung einer mono-molekularen Elektronik angesehen. / The use of single molecules as active components in electronic devices is presently considered a potential alternative to semiconductor-based nano-scale electronics since it directly provides precisely-defined nano-scale components for electronic devices which eventually allows for simple processing and devicefabrication. In this thesis the self-assembly and electron transport properties of conjugated molecules are investigated by means of scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at solid-liquid interfaces and under ultrahigh vacuum conditions and low temperatures. The use of the molecules in hybrid-molecular electronic devices and potential approaches to a mono-molecular electronics are explored. In particular, electron-donor-acceptor-multiads are shown to exhibit a nano-phase-segregation at the solid-liquid interface which allows for the integration of different electronic functions at the nano-scale. Furthermore, the dependence of the electronic coupling of stacked disk-like molecules on the lateral off-set in the stack is demonstrated experimentally which offers new possibilities for the control of the electronic properties of these three-dimensional architectures. In addition the first STM/STS experiments on charge transfer in single organic donor-acceptor complexes are presented. Finally, charge transfer complexes are combined with the approach of nano-phase-segregation to realize the first single-molecule transistor with integrated nanometer-sized gates. In this prototypical device the current through a hybrid-molecular diode made from a hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) in the junction of the STM is modified by charge transfer complexes covalently attached to the HBC in the gap. Since the donor which complexes the covalently attached acceptor comes from the ambient fluid the set-up represents a single-molecule chemical field-effect transistor with nanometer-sized gates. This is considered a major step towards mono-molecular electronics.

Diese Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von organolöslichen Thiophen und Benzodithiophen basierten Materialien und ihrer Anwendung als aktive lochleitende Halbleiterschichten in Feldeffekttransistoren. Im ersten Teil der Arbeit wird durch eine gezielte Modifikation des Thiophengrundgerüstes eine neue Comonomer-Einheit für die Synthese von Thiophen basierten Copolymeren erfolgreich dargestellt. Die hydrophoben Hexylgruppen in der 3-Position des Thiophens werden teilweise durch hydrophile 3,6-Dioxaheptylgruppen ersetzt. Über die Grignard-Metathese nach McCullough werden statistische Copolymere mit unterschiedlichen molaren Anteilen vom hydrophoben Hexyl- und hydrophilem 3,6-Dioxaheptylgruppen 1:1 (P-1), 1:2 (P-2) und 2:1 (P-3) erfolgreich hergestellt. Auch die Synthese eines definierten Blockcopolymers BP-1 durch sequentielle Addition der Comonomere wird realisiert. Optische und elektrochemische Eigenschaften der neuartigen Copolymere sind vergleichbar mit P3HT. Mit allen Copolymeren wird ein charakteristisches Transistorverhalten in einem Top-Gate/Bottom-Kontakt-Aufbau erhalten. Dabei werden mit P-1 als die aktive Halbleiterschicht im Bauteil, PMMA als Dielektrikum und Silber als Gate-Elektrode Mobilitäten von bis zu 10-2 cm2/Vs erzielt. Als Folge der optimierten Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter wird eine Verbesserung der Luftstabilität der Transistoren über mehrere Monate festgestellt. Im zweiten Teil der Arbeit werden Benzodithiophen basierte organische Materialien hergestellt. Für die Synthese der neuartigen Benzodithiophen-Derivate wird die Schlüsselverbindung TIPS-BDT in guter Ausbeute dargestellt. Die Difunktionalisierung von TIPS-BDT in den 2,6-Positionen über eine elektrophile Substitution liefert die gewünschten Dibrom- und Distannylmonomere. Zunächst werden über die Stille-Reaktion alternierende Copolymere mit alkylierten Fluoren- und Chinoxalin-Einheiten realisiert. Alle Copolymere zeichnen sich durch eine gute Löslichkeit in gängigen organischen Lösungsmitteln, hohe thermische Stabilität und durch gute Filmbildungseigenschaften aus. Des Weiteren sind alle Copolymere mit HOMO Lagen höher als -6.3 eV, verglichen mit den Thiophen basierten Copolymeren (P-1 bis P-3), sehr oxidationsstabil. Diese Copolymere zeigen amorphes Verhalten in den Halbleiterschichten in OFETs auf und es werden Mobilitäten bis zu 10-4 cm2/Vs erreicht. Eine Abhängigkeit der Bauteil-Leistung von dem Zinngehalt-Rest im Polymer wird nachgewiesen. Ein Zinngehalt von über 0.6 % kann enormen Einfluss auf die Mobilität ausüben, da die funktionellen SnMe3-Gruppen als Fallenzustände wirken können. Alternativ wird das alternierende TIPS-BDT/Fluoren-Copolymer P-5-Stille nach der Suzuki-Methode polymerisiert. Mit P-5-Suzuki als die aktive organische Halbleiterschicht im OFET wird die höchste Mobilität von 10-2 cm2/Vs erzielt. Diese Mobilität ist somit um zwei Größenordnungen höher als bei P-5-Stille, da die Fallenzustände in diesem Fall minimiert werden und folglich der Ladungstransport verbessert wird. Sowohl das Homopolymer P-12 als auch das Copolymer mit dem aromatischen Akzeptor Benzothiadiazol P-9 führen zu schwerlöslichen Polymeren. Aus diesem Grund werden einerseits Terpolymere aus TIPS-BDT/Fluoren/BTD-Einheiten P-10 und P-11 aufgebaut und andererseits wird versucht die TIPS-BDT-Einheit in die Seitenkette des Styrols einzubringen. Mit der Einführung von BTD in die Hauptpolymerkette werden insbesondere die Absorptions- und die elektrochemischen Eigenschaften beeinflusst. Im Vergleich zu dem TIPS-BDT/Fluoren-Copolymer reicht die Absorption bis in den sichtbaren Bereich und die LUMO Lage wird zu niederen Werten verschoben. Eine Verbesserung der Leistung in den Bauteilen wird jedoch nicht festgestellt. Die erfolgreiche erstmalige Synthese von TIPS-BDT als Seitenkettenpolymer an Styrol P-13 führt zu einem löslichen und amorphen Polymer mit vergleichbaren Mobilitäten von Styrol basierten Polymeren (µ = 10-5 cm2/Vs) im OFET. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit ist die Synthese von niedermolekularen organolöslichen Benzodithiophen-Derivaten. Über Suzuki- und Stille-Reaktionen ist es erstmals möglich, verschiedenartige Aromaten über eine σ-Bindung an TIPS-BDT in den 2,6-Positionen zu knüpfen. Die UV/VIS-Untersuchungen zeigen, dass die Absorption durch die Verlängerung der π-Konjugationslänge zu höheren Wellenlängen verschoben wird. Darüber hinaus ist es möglich, thermisch vernetzbare Gruppen wie Allyloxy in das Molekülgerüst einzubauen. Das Einführen von F-Atomen in das Molekülgerüst resultiert in einer verstärkten Packungsordnung im Fluorbenzen funktionalisiertem TIPS-BDT (SM-4) im Festkörper mit sehr guten elektronischen Eigenschaften im OFET, wobei Mobilitäten bis zu 0.09 cm2/Vs erreicht werden. / This work describes the synthesis and characterization of organo-soluble thiophene and benzodithiophene based materials and their application as hole-transporting active semiconductor layers in field effect transistors. The first part of this work introduces the targeted modification of the thiophene base unit, obtaining new comonomers for the corresponding copolymers. The hydrophobic hexyl groups in the 3-position of thiophene are partially replaced by hydrophilic 3,6-Dioxaheptyl groups. Using the Grignard metathesis developed by McCullough, statistical copolymers with different molar ratios of hydrophobic and hydrophilic side groups 1:1 (P-1), 1:2 (P-2) and 2:1 (P-3) are synthesized. Furthermore a defined blockcopolymer is synthesized by a sequential comonomer addition. Optical and electrochemical properties of the novel copolymers are comparable to the homopolymer P3HT. All copolymers show clearly transistor characteristics in a top-gate/bottom-contact configuration. Devices with P-1 as active semiconductor layer, PMMA as dielectric and silver as the gate electrode show mobilities up to 10-2 cm2/Vs. As a result of the optimized semiconductor and dielectric interface an improvement of the air stability of the transistors is observed for several months. The second part describes the synthesis of benzodithiophene based organic materials. For the synthesis of the novel benzodithiophene-derivatives the key intermediate TIPS-BDT is obtained in high yields. A difunctionalization of TIPS-BDT in 2,6-position is observed by electrophilic substitution reactions and provided the desired dibromo- and distannyl-monomers. Via Stille-reaction alternated copolymers with alkylated fluorene and quinoxaline groups are synthesized. All copolymers are soluble in common organic solvents, show high thermal stability and good film forming properties. Furthermore all copolymers have HOMO values above -6.3 eV and are more oxidation stable compared to the thiophene based copolymers (P-1 up to P-3). These copolymers show an amorphous behavior as semiconductor layer in OFETs and mobilities up to 10-4 cm2/Vs are observed. A correlation between the device performance and the tin amount in the polymer could be demonstrated. Hence the functional SnMe3 groups can act as traps, a tin amount higher than 0.6 % can negatively influence the mobility. Alternatively the alternated TIPS-BDT/Fluoren-copolymer P-5-Stille is polymerized by the Suzuki-Method. The highest mobility of 10-2 cm2/Vs is obtained with P-5-Suzuki as active semiconductor layer in OFET. In comparison to P-5-Stille this mobility is two orders of magnitude higher, because in P-5-Suzuki traps are minimized and the charge transfer is improved. The synthesis of homopolymer P-12 as well as the copolymer with aromatic benzothiadiazole P-9 resulted in insoluble polymers. For this reason terpolymers containing TIPS-BDT/Fluoren/BTD units are designed. Additionally an attempt has been made to introduce the TIPS-BDT unit in the side chain of styrene. The introduction of BTD in the conjugated main chain influences especially the absorption and electrochemical properties. Compared to TIPS-BDT/Fluoren-copolymer the absorption of the terpolymer is shifted to the visible region and the LUMO values decreased. An improvement in the device performance is not observed. A side chain polystyrene containing TIPS-BDT P-13 is synthesized successfully. The amorphous and soluble P-13 showed comparable mobilities (µ = 10-5 cm2/Vs) as known styrene based polymers. A further aim of this work is the synthesis of organo-soluble benzodithiophene based small molecules. Using Suzuki- and Stille-reactions different aromatic cores as endcappers are connected by σ-bonds at the 2,6-position of TIPS-BDT. UV/VIS-measurements show a red-shift of the absorption maxima with extension of the π-conjugated system. Furthermore it is possible to introduce thermal cross linkable allyloxy-groups. The F-atoms in the molecule lead to stronger intermolecular interactions in the solid state, which improves the electronic properties and lead to high mobilities up to 0.09 cm2/Vs for TIPS-BDT (SM-4).

We demonstrate a new approach for fabricating alternating current driven organic electroluminescent devices using the concept of doping in organic semiconductors. Doped charge transport layers are used for generation of charge carriers within the device, hence eliminating the need for injecting charge carriers from external electrodes. The device is an organic-inorganic hybrid: We exploit the mechanical strength and chemical stability of inorganic semiconductors and combine it with better optical properties of organic materials whose emission color can be chemically tuned so that it covers the entire visible spectrum. The device consists of an organic electroluminescence (EL) layer composed of unipolar/ambipolar charge transport materials doped with organic dyes (10 wt% ) as well as molecularly doped charge generation layers enclosed between a pair of transparent insulating metal oxide layers. A transparent indium doped tin oxide (ITO) layer acts as bottom electrode for light outcoupling and Aluminium (Al) as top reflective electrode. The electrodes are for applying field across the device and to charge the device, instead of injection of charge carriers in case of direct current (DC) devices. Bright luminance of up to 5000 cd m-2 is observed when the device is driven with an alternating current (AC) bias. The luminance observed is attributed to charge carrier generation and recombination, leading to formation of excitons within the device, without injection of charge carriers through external electrodes.

The properties of a Rydberg atom immersed in an ultracold environment were investigated. Two scenarios were considered, one of which involves the neighbouring ground-state atoms arranged in a spatially structured configuration, while the other involves them distributed randomly in space. To calculate the influence of the multiple ground-state atoms on the Rydberg atom, Fermi-pseudopotential was used, which simplified greatly the numerical effort. In many cases, the few-body interaction can be written down analytically which reveals the symmetry properties of the system. In the structured case, we report the first prediction of the formation of ``Rydberg Borromean trimers''. The few-body interactions and the dynamics of the linear A-B-A trimer, where A is the ground-state atom and B is the Rydberg atom, were investigated in the framework of normal mode analysis. This exotic ultralong-range triatomic bound state exists despite that the Rydberg-ground-state interaction is repulsive. Their lifetimes were estimated using both quantum scattering calculations and semi-classical approximations which are found to be typically sub-microseconds. In the disordered case, the Rydberg-excitation spectra of a frozen-gas were simulated, where the nuclear degrees of freedom can be ignored. The systematic change of the spectral shape with respect to the density of the gas and the excitation of the Rydberg atom were found and studied. Some parts of the spectral shape can be described by simple scaling laws with exponents given by the basic properties of the atomic species such as the polarizability and the zero-energy electron-atom scattering length.

Visualization and study of reconformation of polyelectrolytes (PEs) of different architecture is of great fundamental and practical interest. Verification of theoretical predictions with experiment is of essential importance. On the other hand, a wide range of bottom-up techniques based on patterning of matter on the length scale of a few nanometers have been recently developed. Particularly interesting is the possibility of using self-assembled single molecule structures as templates for the deposition of inorganic matter, in particular metals. Synthetic "normal-sized" polymers of various architecture, like poly-2-vinylpyridine (P2VP) or polystyrene-poly(2-vynil pyridine) P2VP7-PS7 star-like block copolymer, adsorbed on solid substrates have been visualized for the first time with molecular resolution by AFM in different conformation. This finding allowed us to study largely discussed problem, a coil-to-globule transition of PEs. It was found that PE molecules undergo conformational transitions from stretched worm-like coil to compact globule via set of necklace-like globules, as the fraction of charged monomers decreases with an increase of pH and ionic strength. These results are in good agreement with recently developed DRO theory for weakly charged flexible PEs in poor solvent. The size of the deposited single molecules correlates very well with molecular dimensions in solution obtained in light scattering experiments. PE single molecules of various architectures was mineralized in different conformations that constitutes the route to nanoparticles with desired shape (including wire-shape and star-shaped), size, and composition (including metallic, magnetic and semiconductive nanoparticles). It was shown that molecular details of the adsorbed linear flexible PE molecules determine the dimensions of the nanostructures after metallization and that observed sizes are consistent with the decoration of single molecules with nanoclusters. Thus those metallized nanoparticles (cluster assembles) reflect the conformation of original adsorbed PE molecules. The dimensions of the obtained nanowires are significantly smaller than those previously reported. All of these features are of the potential benefit in applications for nanodevices. Metallization of the PS7-P2VP7 improves AFM resolution due to the selective deposition of Pd clusters along the P2VP chains. For the first time, the number of the P2VP second generation arms of the heteroarm block-copolymer was directly counted in the single molecule AFM experiment. Simple contrasting procedure was developed to improve AFM visualization of positively charged polymer chains deposited on the substrates of relatively high roughness. This method allows increasing the thickness of the resulting structures up to 10 nm, and, consequently, provide visualization of polymer chains on rough surfaces. This innovation is important for the development of single molecule experiments with polymer chains. The reaction of HCF-anion could be used for recognition of polycation molecules, when polycations, polyanions and neutral molecules coexist on the surface. Recently, the study was strongly restricted to atomically smooth surfaces. The contrasting procedure extends the range of substrates (Si-wafers, chemically modified or patterned Si-wafers, polished glasses, polymer films, etc) appropriate for the experiments. Thus, polymer single molecules can be considered not only as representative of the ensemble molecules, but also as individual nanoscale objects which can be used for future nanotechnology for the fabrication of single molecule electronic devices. Also these findings are important from fundamental point of view, since developed approach can be successfully applied for investigation of various "classical" problems in polymer science, such as polymer reconformation, interpolyelectrolyte complex formation, polymer diffusion, adsorption, etc.

Im Rahmen dieser Arbeit werden drei Perylen-Derivate als Zwischenschichten in Metall/organische Schicht/S-GaAs(100)-Heterostrukturen eingesetzt. Das Ziel dieser Arbeit ist, den Einfluss von unterschiedlichen chemischen Endgruppen auf die elektronischen und chemischen Eigenschaften der Grenzflächen, sowie auf die molekulare Orientierung in den organischen Schichten nachzuweisen. Die Moleküle 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA), 3,4,9,10-PerylenTetraCarbonsäure DiImid (PTCDI) und Dimethyl-3,4,9,10-PerylenTetraCarbonsäure DiImid (DiMe-PTCDI) wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf Schwefel-passivierte GaAs(100):2x1-Substrate aufgedampft. Oberflächensensitive Charakterisierungsverfahren wie Photoemissionsspekroskopie (PES), Inverse Photoemissionsspektroskopie (IPES) und Nahkantenröntgenfeinstrukturmessungen (NEXAFS) wurden zur Charakterisierung eingesetzt. Theoretische Berechnungen mit Hilfe von Dichte-Funktional-Methoden wurden durchgeführt, um eine Zuordnung von verschiedenen Komponenten in Rumpfniveauspektren zu ermöglichen. Die NEXAFS-Messungen ermöglichen eine genaue Bestimmung der Molekülorientierung in Bezug zum Substrat. So lässt sich nachweisen, dass eine kleine Änderung von chemischen Endgruppen z.B. bei DiMe-PTCDI verglichen mit PTCDI, eine dramatische Änderung der Molekülorientierung hervorruft. Die Valenzbandspektren von DiMe-PTCDI zeigen eine energetische Dispersion von 0.2 eV, die auf eine -Orbital-Überlappung zurückzuführen ist und die Ausbildung von Valenzbändern belegt. Die Energieniveauanpassung an der organische Schicht/S-GaAs-Grenzfläche, sowie die Transport-Bandlücke von PTCDI, DiMe-PTCDI und PTCDA wurden mit Hilfe von PES und IPES bestimmt. Die elektronischen, chemischen und strukturellen Eigenschaften von Metall/Organische Schicht- Grenzflächen wurden mit Hilfe von Rumpfniveauspektroskopie und NEXAFS untersucht. Mg reagiert stark mit den Endgruppen von PTCDA und PTCDI, währenddessen die In-Atome an einem Ladungstransferprozess mit den Perylen-Kernen aller dreien Molekülen beteiligt sind, wobei der Betrag der transferierten Ladung maximal für den Fall von PTCDI wird. Während Mg sehr wenig in die organischen Schichten diffundiert, zeigt In sehr starke Eindiffusion in PTCDA-Schichten und schwache in PTCDI-Schichten.