Mit Hilfe der Rastertunnelmikroskopie (STM, Scanning Tunneling Microscopy) und Tunnelspektroskopie (STS, Scanning Tunneling Spectroscopy) wurden in situ das Ordnungsverhalten und die elektronischen Eigenschaften verschiedener alkylsubstituierter, polyzyklischer Aromaten (PAHs, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) an der Grenzfläche zwischen organischer Lösung und der Basalfläche von Graphit untersucht. Die Anzahl der pro Molekül vorhandenen pi-konjugierten Kohlenstoffatome reicht von 42 (Hexabenzocoronen, HBC) bis 114. Zusätzliche Informationen zur Struktur der geordneten Systeme lieferten kraftfeldbasierte Molekülsimulationen. Die molekularen Systeme bilden durch Adsorption und Selbstaggregation hochgeordnete Monolagen auf der Graphitoberfläche aus, wobei die polyzyklischen Kohlenstoffstrukturen der aromatischen Bereiche wie das darunter liegende Graphitgitter orientiert und die Molekülkristalle kommensurabel mit dem Substrat sind. Die peripheren Alkylketten sind nicht notwendigerweise an der Adsorption auf dem Graphitgitter beteiligt. Dies führt in bestimmten Fällen zu hexagonalen Anordnungen der HBC-Moleküle. Periodische Helligkeitsmodulationen im Tunnelbild der Aromaten werden über unterschiedliche Adsorptionspositionen auf dem Substrat erklärt, die in regelmäßiger Weise durch die molekularen Spezies eingenommen werden. In vielen Fällen ist die Adsorption nicht auf Monolagen begrenzt. Attraktive pi--pi-Wechselwirkungen zwischen den Aromaten werden als Ursache für die Stapelung der Moleküle angeführt. Es besteht die Vermutung, dass auch ein signifikanter Überlapp von Orbitalen vorhanden ist. Folglich wird der an der Grenzfläche zum Graphit existierende molekulare Ordnungszustand auf die zusätzlich adsorbierenden Schichten übertragen. Die Beobachtung nichtperiodischer Kontrastmodulationen wird auf kleinste Unterschiede in den Stapelweisen der Aromaten zurückgeführt, die zu Unterschieden in den elektronischen Eigenschaften führen. Hochaufgelöste STM-Bilder zeigen verschiedene Punktmuster und Streifen innerhalb der aromatischen Bereiche einzelner Moleküle. Diese Muster können nicht direkt der elektronischen Struktur der Aromaten zugeordnet werden. Sie werden vielmehr als Ergebnis einer Faltung der elektronischen Eigenschaften von Substrat und Adsorbat betrachtet. Zwei der Punktmuster, die für ein HBC-Derivat beobachtet wurden und abhängig von der Anzahl der pro Aromatenstapel involvierten Moleküle sind, konnten als sqrt(3) x sqrt(3) R 30°- bzw. als 2 x 2 -Überstruktur des Graphits beschrieben werden. Die STS-Experimente waren auf die Aufnahme lokaler I(U)-Kennlinien gerichtet. Die Aromaten weisen eine asymmetrische I(U)-Charakteristik auf, die Ähnlichkeiten mit dem Kennlinienverlauf einer Diode zeigt. Die Asymmetrie wird durch resonantes Tunneln über das HOMO bei negativen Probenspannungen erklärt. Die Verstärkung der Asymmetrie mit zunehmender Größe des Aromaten wird durch den kleiner werdenden energetischen Abstand zwischen HOMO und Fermi-Niveau des Graphits verursacht. / Self-assembled structures and electronic properties of alkylsubstituted, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) at the solid liquid interface between a solution and the basal plane of graphite have been studied in situ by scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS). The number of pi-conjugated carbon atoms per investigated molecular species ranges from 42 (hexabenzocoronene, HBC) to 114. Supplementary structural information was obtained by forcefield based simulations. Upon adsorption and self-assembly, the molecules form ordered monolayers on the graphite surface. Predominantely, the polycyclic carbon structures of the aromatic moieties exhibit the same orientation as the underlying graphite lattice and the molecular lattices are commensurate with the substrate. The peripheral alkyl chains do not necessarily adsorb on the substrate which leads to hexagonal packings of the HBCs in some cases. Periodic contrast modulations of the aromatic moieties in the STM images are attributed to different adsorption sites on the graphite lattice. These different positions are occupied by the molecules in a regular way. In many cases, the adsorption is not limited to monolayers. It is proposed that the stacking is governed by pi--pi-interactions between the aromatic regions including a significant overlap of orbitals. As a consequence, the molecular order from the solid liquid interface is transferred to the additionally adsorbing layers. Nonperiodic contrast modulations indicate slight differences in the stacking giving rise to modified electronic properties. Highly resolved STM images show different dot patterns and stripes within the aromatic region of single molecules. These patterns do not directly stem from the electronic structure of the aromatic species. Instead, they are rather explained by a convolution of the electronic properties of both, substrate and adsorbate. Two of the dot patterns observed for an HBC derivative could be described as sqrt(3) x sqrt(3) R 30°- and as 2 x 2 -superstructure of the graphite lattice, respectively, depending on the number of stacked molecules. STS involved the measurement of I(U)-curves at specific locations. The curves of the aromatic moieties exhibit an asymmetric, diode like behavior explained by resonant tunneling via the HOMO at negative substrate voltages. The asymmetry is enhanced with increasing size of the aromatic moiety. This is due to the reduced distance between the HOMO and the graphite Fermi level for the larger PAHs.

Es werden die Strukturbildung und Benetzung zweidimensionaler (2D) Phasen von Langmuir-Monolagen im lokalen thermodynamischen Gleichgewicht untersucht. Eine Langmuir-Monolage ist ein isoliertes 2D System von Surfaktanten an der Wasser/Luft-Grenzfläche, in dem kristalline, flüssigkristalline, flüssige oder gasförmige Phasen auftreten, die sich in Positionsordnung und/oder Orientierungsordnung unterscheiden. Permanente elektrische Dipolmomente der Surfaktanten führen zu einer langreichweitigen repulsiven Selbstwechselwirkung der Monolage und zur Bildung mesoskopischer Strukturen. Es wird ein Wechselwirkungsmodell verwendet, das die Strukturbildung als Wechselspiel kurzreichweitiger Anziehung (nackte Linienspannung) und langreichweitiger Abstoßung (Oberflächenpotential) auf einer Skala Delta beschreibt. Physikalisch trennt Delta die beiden Längenskalen der lang- und kurzreichweitigen Wechselwirkung. In dieser Arbeit werden die thermodynamischen Stabilitätsbedingungen für die Form einer Phasengrenzlinie (Young-Laplace-Gleichung) und Dreiphasenkontaktpunkt (Young-Bedingung) hergeleitet und zur Beschreibung experimenteller Daten genutzt: Die Linienspannung benetzender 2D Tropfen wird mit Hilfe hängender-Tropfen-Tensiometrie gemessen. Die Blasenform und -größe von 2D Schäumen wird theoretisch modelliert und mit experimentellen 2D Schäumen verglichen. Kontaktwinkel werden durch die Anpassung von experimentellen Tropfen mit numerischen Lösungen der Young-Laplace-Gleichung auf Mikrometerskalen gemessen. Das Skalenverhalten des Kontaktwinkels ermöglicht die Bestimmung einer unteren Schranke von Delta. Weiterhin wird diskutiert, inwieweit das Schalten von 2D Benetzungsmodi in biologischen Membranen zur Steuerung der Reaktionskinetik ein Rolle spielen könnte. Hierzu werden Experimente aus unserer Gruppe, die in einer Langmuir-Monolage durchgeführt wurden, herangezogen. <br /> <br /> Abschließend wird die scheinbare Verletzung der Gibbs&prime;schen Phasenregel in Langmuir-Monolagen (nicht-horizontales Plateau der Oberflächendruck-Fläche Isotherme, ausgedehntes Dreiphasengebiet in Einkomponentensystemen) quantitativ untersucht. Eine Verschmutzung der verwendeten Substanzen ist demnach die wahscheinlichste Erklärung, während Finite-Size-Effekte oder der Einfluss der langreichweitigen Elektrostatik die Größenordnung des Effektes nicht beschreiben können. / The present work investigates the structure formation and wetting in two dimensional (2D) Langmuir monolayer phases in local thermodynamic equilibrium. A Langmuir monolayer is an isolated 2D system of surfactants at the air/water interface. It exhibits crystalline, liquid crystalline, liquid and gaseous phases differing in positional and/or orientational order. Permanent electric dipole moments of the surfactants lead to a long range repulsive interaction and to the formation of mesoscopic patterns. An interaction model is used describing the structure formation as a competition between short range attraction (bare line tension) and long range repulsion (surface potentials) on a scale Delta. Delta has the meaning of a dividing length between the short and long range interaction. In the present work the thermodynamic equilibrium conditions for the shape of two phase boundary lines (Young-Laplace equation) and three phase intersection points (Young&prime;s condition) are derived and applied to describe experimental data: The line tension is measured by pendant droplet tensiometry. The bubble shape and size of 2D foams is calculated numerically and compared to experimental foams. Contact angles are measured by fitting numerical solutions of the Young-Laplace equation on micron scale. The scaling behaviour of the contact angle allows to measure a lower limit for Delta. Further it is discussed, whether in biological membranes wetting transitions are a way in order to control reaction kinetics. Studies performed in our group are discussed with respect to this question in the framework of the above mentioned theory.<br /> <br /> Finally the apparent violation of Gibbs&prime; phase rule in Langmuir monolayers (non-horizontal plateau of the surface pressure/area-isotherm, extended three phase coexistence region in one component systems) is investigated quantitatively. It has been found that the most probable explanation are impurities within the system whereas finite size effects or the influence of the long range electrostatics can not explain the order of magnitude of the effect.

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.

Dünne Silizium- und Germaniumdioxidfilme auf Ru(0001)-Kristallen werden hinsichtlich dynamischer Prozesse untersucht. Zwischen Oxidfilm und Substrat befinden sich Sauerstoffatome, die eine ent-scheidende Rolle in diesen Systemen spielen. Zunächst werden diese Sauerstofflagen auf Ru(0001) mittels Hochgeschwindigkeits-Rastertunnelmikroskopie (STM) analysiert. Daraufhin wird die GeO2-Monolage auf Ru(0001) bei hohen Bildraten mit einer selbstentwickelten halbautomatischen Netz-werkdetektion untersucht. Schließlich wird die SiO2-Bilage auf Ru(0001) mit konventionellen sowie mit schnellen STM-Messungen bei Raumtemperatur und bei 600 K abgebildet. Um schnelle Messungen bei hohen Temperaturen zu realisieren, wird ein Hochgeschwindigkeits-STM konstruiert, welches bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden kann. Unkon-ventionelle Spiralgeometrien ermöglichen verzerrungsfreie Bilder in weniger als 10 ms aufzunehmen. Die adsorbierten Sauerstofflagen werden erstmals bei hohen Bildraten untersucht. Die experimen-tellen Ergebnisse werden durch extern durchgeführte Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen ergänzt. In den auf Ru(0001) bei Raumtemperatur stabilen Sauerstofflagen O(2×2), O(2×1) und 3O(2×2) werden dynamische Prozesse beobachtet. Die Besetzung des Zwischenzustandes entlang des Diffusionspfades und schnelle "Umklapp"-Prozesse eindimensionaler Linien werden auf atomarer Ebene aufgelöst. Komplexe Domänengrenzen in der GeO2-Monolage auf Ru(0001) werden mit Hochgeschwindigkeits-STM abgebildet. Die Messungen an der SiO2-Bilage auf Ru(0001) zeigen dynamische Änderungen des Abbildungskontrasts, die mit den mobilen Sauertsoffatomen an der Grenzfläche zusammenhängen können. Messungen bei hohen Temperaturen zeigen dynamische Kontraständerungen von mesoskopischen Strukturen. Diese Messungen stellen die ersten schnellen Hochtemperatur-STM-Aufnahmen des Siliziumdioxidfilms dar und bilden die Grundlage für künftige Studien zu dynamischen Veränderungen in dünnen Oxidschichtsystemen. / Dynamics related to thin silicon- and germanium dioxide films that are grown on Ru(0001) crystals are investigated. Between the film and the metal support oxygen species are present that play a crucial role for these film systems. First, these oxygen adlayers on Ru(0001) are analyzed by high-speed scan-ning tunneling microscopy (STM) with the focus on dynamic processes. In a next step, the monolayer of germanium dioxide (germania) supported on Ru(0001) is studied at elevated frame rates and with a self-designed semi-automated network detection. Finally, the bilayer of silicon dioxide (silica) on Ru(0001) is studied by conventional and by high-speed STM both at room temperature and at 600 K. To realize fast STM measurements at elevated temperatures, a high-speed STM is designed that can operate at variable temperatures. Images are acquired in less than 10 ms with unconventional spiral scan patterns. The dynamics in oxygen adlayers are investigated for the first time at elevated frame rates. Experimental results are supported by density functional theory (DFT) calculations performed externally. Dynamic events are observed in the oxygen adlayers that are stable on Ru(0001) at room temperature, namely O(2×2), O(2×1), and 3O(2×2). The occupation of an intermediate state along the oxygen diffusion pathway and fast "flipping" events of atomic one-dimensional stripe patterns are observed. On the germania monolayer on Ru(0001), complex domain boundary structures are resolved with high-speed STM. In high-speed scans on the silica bilayer on Ru(0001), dynamic changes of the imaging contrast are observed that may relate to the mobile species in the oxygen interfacial layer. Measurements at elevated temperature reveal dynamic contrast changes of mesoscopic features. These measurements constitute the first high-speed STM scans on the silica film at elevated temperatures and form the basis for future studies with the focus on dynamic processes in thin oxide film systems.

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