The interfacial electronic structure of the organic material- tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum (Alq3) forming an interface with cobalt metal has been investigated in this research. The primary characterization method used in this research was near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy which probes the unoccupied molecular orbitals of a material. Density functional theory (DFT) calculations have also been employed to calculate the partial density of states (PDOS) of all constituent elements present in Alq3 molecule. The DFT calculations helped to determine the molecular orbital structure of Alq3 and to understand how the orbital structure is influenced by forming an interface with ferromagnetic Co layer. The experimental NEXAFS spectra measured in total fluorescence yield (TFY) showed that the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) and LUMO+1 states of Alq3 were not affected by the presence of Co when Co is deposited onto Alq3. On the other hand, a charge transfer between Co and Alq3 led the loss or reduction of LUMO+2 state for a Co(top)/Alq3 bilayer sample when compared to pristine Alq3 reference sample (without Co deposition). This selective effect of Co on the orbital configuration of Alq3 suggests that Co atoms diffuse into Alq3 and interact with preferred sites in Alq3. By comparing the spectral change in the experimental NEXAFS spectra to the calculated PDOS of Alq3, the preferred interaction sites between Co and Alq3 could be successfully determined. This work suggests that the spectroscopic approach using synchrotron-radiation X-ray spectroscopy can serve as a powerful means for studying the interfacial electronic structure between magnetic metals and organic semiconductors and can contribute to the research and development of high performance organic spintronics.

Based on a previously completed design for a soft X-ray (50-1100 eV) emission spectrometer, an endstation was constructed for the Resonant Elastic and Inelastic X-ray Scattering (REIXS) beamline at the CLS. The optical design employed techniques and software tools developed in-house using ray-tracing and diffraction grating efficiency calculations to analyze and compare existing designs and to propose a new design with superior performance. This design employs Rowland circle geometry to achieve a theoretical resolving power in excess of 2,500 in our range of interest. In addition, a novel optical design for a larger extremely high resolution spectrometer has been completed to provide theoretical resolving powers exceeding 10,000 throughout the higher end of the spectrum. To accommodate this optical design a completely new mechanical design was required, involving significant mechanical, electrical, vacuum and software engineering. Countless custom fabricated parts were required along with numerous o -the-shelf secondary instruments and systems. All told, this entirely student-managed project has cost over $1.5M and taken over 5 years. Construction is finally complete and the endstation is currently being commissioned. Necessary design changes made during the mechanical design process resulting in the selection of a more suitable, but lower resolution, detector. This reduced the theoretical maximum resolving power to 1,800 for the first order gratings and roughly 5,000 for the third order gratings. Commissioning is still underway, but first order resolutions in the range of 1,000 - 2,000 have been recorded as have third order resolutions exceeding 4,000. Publication quality data has been collecting by members of this research group and invited external users have successfully grown and measured samples here. Two of the optical elements required rework and upon their delivery the system commissioning will be completed and peer-reviewed access will begin.

Die Arbeit befaßt sich mit der Charakterisierung der elektronischen Struktur von neuen Halbleitermaterialien. Zu den untersuchten Materialsystemen, welche alle eine relativ kleine Gitterkonstante aufweisen, gehören der Diamant, Siliciumcarbid, amorphes Kohlenstoffnitrid (a-CNx) sowie verschiedene Proben der Serie AlxGa1-xN. Zur Charakterisierung der elektronischen Struktur werden Photoemissionsmessungen für die Bestimmung der besetzten Zustände und Methoden der Röntgenabsorption im Fall der unbesetzten Zustände herangezogen. Mit diesen Methoden wird die Struktur der Oberflächen von CVD-Diamantfilmen für unterschiedliche Oberflächenempfindlichkeiten bestimmt. Außerdem wird die Modifikation der elektronischen Bänder in Naturdiamant durch variierende Cäsiumbedeckungen der Oberfläche ermittelt. Für zwei Rekonstruktionen der 3C-SiC(001)-Oberfläche wird die Oberflächenbandstruktur bestimmt und es werden die Ergebnisse mit existierenden Strukturmodellen und Rechnungen verglichen. Zum Vergleich werden auf dieser Oberfläche weiterhin auch Messungen zur optischen Oberflächenanisotropie durchgeführt und Hinweise auf Beiträge von Oberflächenzuständen zu den Spektren gefunden. In den amorphen Kohlenstoffnitridfilmen können verschiedene Stickstoff- und Kohlenstoffkoordinationen nachgewiesen und deren Temperaturstabilität bestimmt werden. Aus den polarisationsabhängigen Röntgenabsorptionsmessungen an nitridiertem Galliumarsenid bzw. an den Proben der Serie AlxGa1-xN werden Rückschlüsse auf die Phasenzusammensetzung und die geometrische Struktur gezogen.

The present thesis investigates the electronic and structural properties of adenine, cytosine, and guanine layers on hydrogen passivated silicon (111)(7x7). The (7x7) reconstruction of the silicon surface was achieved by direct current heating of the samples in UHV conditions. After in situ hydrogen passivation layers of the DNA bases were prepared in different thicknesses by means of organic molecular beam deposition, all samples were characterized employing valence band and core level photoemission spectroscopy. Additionally the near edge x-ray absorption fine structure of the DNA base layers was investigated. A detailed and consistent picture of structural and electronic properties of the nucleotide bases in the solid state could be developed by comparison of measurements and DFT/B3LYP calculations.

In dieser Arbeit werden kleine Schwefelcluser (S2 bis S8) untersucht. Es werden Massenspektren von gasförmigem Schwefel in Abhängigkeit von der Temperatur und der anregenden Photonenenergie vorgestellt. Es werden Photoionenausbeuten der Schwefelcluster im Anregungsenergiebereich der S 2p- und S 2s-Kante vorgestellt. Zudem werden Dreifachkoinzidenz-Experimente mit resonanter S 2p-Anregung durchgeführt.Diese experimentellen Techniken werden angewandt um die geometrische und elektronische Struktur, sowie die Fragmentationswege von einfach und mehrfach geladenen Schwefelclustern im Anregungsbereich der S 2p-Kante zu studieren. Die Photoionenausbeuten werden mit simulierten Photoabsorptionsspektren verglichen, die mit semiempirischen Extended-Hückel-Rechnungen ebenfalls im Rahmen dieser Arbeit bestimmt werden. Sie ermöglichen es, aus den Absorptionsquerschnitten im Bereich der Valenzübergänge Informationen über die Geometrie des Schwefelclusters zu erhalten.Vervollständigt wird die Arbeit durch die Untersuchung der besetzten elektronischen Niveaus. Es werden die S 2p-Ionisationsenergien von S2 und S8 untersucht. Dabei kommt eine Technik der Nullvolt-Photoelektronen-Spektroskopie zum Einsatz, bei der die Photoelektronen gemessen werden, die nach S 2p-Anregung auf das Ionisationspotenzial angehoben werden und somit keine kinetische Energie besitzen. Die Technik ist als ZEKE-Photoelektronen-Spektroskopie bekannt.

Switching of surface composition and morphology of binary polymer brushes in response to changes in solvent selectivity, heating above glass transition temperatures, and contact with a rubbery stamp was studied. The binary brushes: polystyrene/poly(2-vinyl pyridine) (PS/P2VP), poly(styrene-co-2,3,4,5,6-pentafluorostyrene)/poly(methyl (meth)acrylate) (PSF/P(M)MA), and PS/PMMA were synthesized via two-step surface-initiated radical polymerization. Wetting experiments show that switching of brushes? surface composition upon exposure to solvents of various thermodynamic quality occurs faster than in 6 s. It takes longer time (5-10 min), if rate of solvent diffusion into the brush film is low. Discontinuous switching of surface composition of binary brushes is found upon exposure to binary solvents with gradually changed selectivity. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) shows quantitatively that the top brush layer (1) is dominated by respective favourite polymers after exposure to solvents of opposite selectivity and (2) comprises both brush constituents in almost symmetric ratio after exposure to non-selective solvents. Morphologies of binary brushes obtained after exposure to the solvents were studied with Atomic Force Microscopy (AFM). Local top layer composition was sensed with X-ray Photoemission Electron Microscopy (XPEEM). The morphologies are relevant to the particular solvents, reproducible, and independent on previous solvents. Phase segregation beneath the brush top layers was visualized with plasma etching. Qualitative agreement of the experimentally observed morphologies and predicted with self-consistent field theory is found. Enrichment of a binary brush top layer with the polymer providing lower surface energy takes place after annealing. Perpendicular segregation of binary brush constituents was sensed with XPEEM on perpendicular walls of imprinted elevations after wet microcontact printing.

Das grundlegende Verständnis der Adsorption, der Eigenschaften, und der Wechselwirkungen von komplexen organischen Molekülen auf Festkörperoberflächen ist für die Entwicklung neuer Anwendungen in der Nanotechnologie von entscheidender Bedeutung. Die in dieser Arbeit untersuchten funktionellen Bausteine gehören zu den Porphyrinen und Phthalocyaninen. Deren Adsorption, elektronische Struktur, und Reaktionen der Moleküle auf Edelmetalloberflächen wurden mit mehreren Methoden charakterisiert, insbesondere der Rastertunnelmikroskopie, Rastertunnelspektroskopie, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie und Photoelektronenspektroskopie, welche zudem durch theoretische Simulationen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie ergänzt wurden. Tetra(p-hydroxyphenyl)porphyrin Moleküle ordnen sich durch Selbstorganisation zu verschiedenen, durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierten Nanostrukturen an, welche in Abhängigkeit von dem Substratoberflächengitter untersucht wurden um das komplizierte Zusammenspiel von Molekül−Molekül und Molekül−Substrat-Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation zu verstehen. Erhitzen der Adsorbatschichten dieses Moleküls führt zu einer schrittweisen Deprotonierung, und außerdem konnte auch ein Schalten der Leitfähigkeit einzelner Porphyrin-Moleküle durch lokale Deprotonierung mittels Spannungspulsen demonstriert werden. Eine Polymerisationsreaktion, welche auf der Ullmann-Reaktion basiert, aber direkt auf einer Oberfläche stattfindet, wurde für Kupfer-octabromotetraphenylporphyrin Moleküle, die auf Au(111) adsorbiert sind, gefunden. Nach einer thermischen Abspaltung der Bromatome von den Molekülen reagieren dabei die Radikalmoleküle bei hohen Temperaturen miteinander und bilden geordnete, kovalent gebundene Netzwerke aus. Die Bromabspaltung und die nachfolgenden Reaktionen und Veränderungen der elektronischen Struktur der Moleküle wurden ausführlich für die Substratoberflächen Au(111) sowie Ag(110) untersucht. Weiterhin, wird die Adsorption und Selbstorganisation von metall-freien Phthalocyanin-Molekülen auf einer Ag(110)-Oberfläche, und deren Selbstmetallierungsreaktion mit Silberatomen des Substrats umfassend und verständlich beschrieben. Zuletzt wurden organische Hybrid-Grenzflächen zwischen verschiedenen Metall-Phthalocyaninen untersucht, wobei ein Ladungstransfer zwischen Kobalt- und Platin-Phthalocyanin-Molekülen gefunden wurde. Dotierung gemischter Metall-Phthalocyanin-Filme durch Einlagerung von Kaliumatomen und deren selektive Adsorption im Molekülgitter führt zu einer deutlichen Veränderung der elektronischen Eigenschaften, aufgrund einer Ladungsübertragung an die Kobalt-Phthalocyanin Moleküle.

Switching of surface composition and morphology of binary polymer brushes in response to changes in solvent selectivity, heating above glass transition temperatures, and contact with a rubbery stamp was studied. The binary brushes: polystyrene/poly(2-vinyl pyridine) (PS/P2VP), poly(styrene-co-2,3,4,5,6-pentafluorostyrene)/poly(methyl (meth)acrylate) (PSF/P(M)MA), and PS/PMMA were synthesized via two-step surface-initiated radical polymerization. Wetting experiments show that switching of brushes? surface composition upon exposure to solvents of various thermodynamic quality occurs faster than in 6 s. It takes longer time (5-10 min), if rate of solvent diffusion into the brush film is low. Discontinuous switching of surface composition of binary brushes is found upon exposure to binary solvents with gradually changed selectivity. X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) shows quantitatively that the top brush layer (1) is dominated by respective favourite polymers after exposure to solvents of opposite selectivity and (2) comprises both brush constituents in almost symmetric ratio after exposure to non-selective solvents. Morphologies of binary brushes obtained after exposure to the solvents were studied with Atomic Force Microscopy (AFM). Local top layer composition was sensed with X-ray Photoemission Electron Microscopy (XPEEM). The morphologies are relevant to the particular solvents, reproducible, and independent on previous solvents. Phase segregation beneath the brush top layers was visualized with plasma etching. Qualitative agreement of the experimentally observed morphologies and predicted with self-consistent field theory is found. Enrichment of a binary brush top layer with the polymer providing lower surface energy takes place after annealing. Perpendicular segregation of binary brush constituents was sensed with XPEEM on perpendicular walls of imprinted elevations after wet microcontact printing.

Das grundlegende Verständnis der Adsorption, der Eigenschaften, und der Wechselwirkungen von komplexen organischen Molekülen auf Festkörperoberflächen ist für die Entwicklung neuer Anwendungen in der Nanotechnologie von entscheidender Bedeutung. Die in dieser Arbeit untersuchten funktionellen Bausteine gehören zu den Porphyrinen und Phthalocyaninen. Deren Adsorption, elektronische Struktur, und Reaktionen der Moleküle auf Edelmetalloberflächen wurden mit mehreren Methoden charakterisiert, insbesondere der Rastertunnelmikroskopie, Rastertunnelspektroskopie, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie und Photoelektronenspektroskopie, welche zudem durch theoretische Simulationen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie ergänzt wurden. Tetra(p-hydroxyphenyl)porphyrin Moleküle ordnen sich durch Selbstorganisation zu verschiedenen, durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierten Nanostrukturen an, welche in Abhängigkeit von dem Substratoberflächengitter untersucht wurden um das komplizierte Zusammenspiel von Molekül−Molekül und Molekül−Substrat-Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation zu verstehen. Erhitzen der Adsorbatschichten dieses Moleküls führt zu einer schrittweisen Deprotonierung, und außerdem konnte auch ein Schalten der Leitfähigkeit einzelner Porphyrin-Moleküle durch lokale Deprotonierung mittels Spannungspulsen demonstriert werden. Eine Polymerisationsreaktion, welche auf der Ullmann-Reaktion basiert, aber direkt auf einer Oberfläche stattfindet, wurde für Kupfer-octabromotetraphenylporphyrin Moleküle, die auf Au(111) adsorbiert sind, gefunden. Nach einer thermischen Abspaltung der Bromatome von den Molekülen reagieren dabei die Radikalmoleküle bei hohen Temperaturen miteinander und bilden geordnete, kovalent gebundene Netzwerke aus. Die Bromabspaltung und die nachfolgenden Reaktionen und Veränderungen der elektronischen Struktur der Moleküle wurden ausführlich für die Substratoberflächen Au(111) sowie Ag(110) untersucht. Weiterhin, wird die Adsorption und Selbstorganisation von metall-freien Phthalocyanin-Molekülen auf einer Ag(110)-Oberfläche, und deren Selbstmetallierungsreaktion mit Silberatomen des Substrats umfassend und verständlich beschrieben. Zuletzt wurden organische Hybrid-Grenzflächen zwischen verschiedenen Metall-Phthalocyaninen untersucht, wobei ein Ladungstransfer zwischen Kobalt- und Platin-Phthalocyanin-Molekülen gefunden wurde. Dotierung gemischter Metall-Phthalocyanin-Filme durch Einlagerung von Kaliumatomen und deren selektive Adsorption im Molekülgitter führt zu einer deutlichen Veränderung der elektronischen Eigenschaften, aufgrund einer Ladungsübertragung an die Kobalt-Phthalocyanin Moleküle.:List of publications List of abbreviations 1 Introduction 2 Methods 2.1 Scanning tunneling microscopy 2.1.1 Theoretical description 2.1.2 STM imaging modes 2.1.3 Scanning tunneling spectroscopy 2.1.4 Technical aspect of the STM instrument 2.2 Low energy electron diffraction 2.3 Photoelectron spectroscopy 2.3.1 Principle 2.3.2 Theoretical description 2.3.3 Initial state effects 2.3.4 Final state effects 2.3.5 X-ray source 2.3.6 Technical aspects of PES 2.3.7 Resonant Photoelectron spectroscopy 2.4 Near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy 2.4.1 Principle 2.4.2 Polarization dependence 2.5 Density Functional Theory 2.5.1 Fundamental equations 2.5.2 Exchange-correlation functionals 2.5.3 Dispersion correction 2.5.4 Hubbard U correction 2.5.5 Basis set 2.5.6 Grid-based projector augmented wave (GPAW) method 2.6 Fundamentals of epitaxy and growth of molecular films 3 Experimental and computational details 3.1 Experimental setup 3.2 Sample preparation 3.3 Technical details for measurements 3.3.1 STM 3.3.2 PES 3.3.3 NEXAFS 3.4 Computational details 4 Metal-free tetra(p-hydroxylphenyl)porphyrin (H2THPP) 4.1 Interplay of hydrogen bonding and molecule-substrate interaction in self-assembled supra-molecular structures of H2THPP 4.1.1 Adlayer structures of H2THPP on Au(111) 4.1.2 Adlayer structures of H2THPP on Ag(111) 4.1.3 Adlayer structures of H2THPP on Ag(110) 4.1.4 Calculation of the adsorption energies and discussion 4.2 Manipulation of the electronic structure by local reversible dehydrogenation 4.2.1 STM and STS results 4.2.2 Discussion of the interconversion 4.2.3 Dosing of hydrogen gas on H2THPP 4.3 Photoelectron spectroscopy investigation of the temperature-induced deprotonation and substrate-mediated hydrogen transfer 4.3.1 Protonation and deprotonation at nitrogen atoms 4.3.2 Deprotonation at carbon atoms 4.3.3 Evolution of the valence band 4.4 Summary 5 Copper-octabromotetraphenylporphyrin (CuTPPBr8) 5.1 Introduction to surface-confined polymerization 5.2 Adsorption and polymerisation of CuTPPBr8 on Au(111) 5.2.1 XPS investigations 5.2.2 STM investigations of the molecular adlayer 5.2.3 DFT calculations 5.3 Adsorption and temperature-dependence of CuTPPBr8 on Ag(110) 5.3.1 XPS and NEXAFS investigations of CuTPPBr8 on Ag(110) 5.3.2 Adlayer structure and adsorption geometry of CuTPPBr8 on Ag(110) 5.4 Summary 6 Metal-free phthalocyanine (H2Pc) on Ag(110) 6.1 Adlayer structures of H2Pc on Ag(110) 6.2 Self-metalation of H2Pc on Ag(110) with silver surface atoms 6.2.1 Introduction to self-metalation 6.2.2 XPS investigations of the self-metalation 6.2.3 STM results of the self-metalation 6.2.4 DFT simulations of the metalation reaction path 6.3 Summary 7 Charge transfer in metallophthalocyanine blends and doping with potassium atoms 7.1 Charge transfer in platinum phthalocyanine – cobalt phthalocyanine dimers 7.1.1 XPS of PtPc−CoPc dimer layers 7.1.2 Resonant photoelectron spectroscopy of PtPc−CoPc dimer layers 7.2 Potassium doping of copper phthalocyanine − cobalt phthalocyanine mixed films 7.2.1 XPS of CuPc−CoPc mixed layers 7.2.2 UPS of CuPc−CoPc mixed layers 7.2.3 NEXAFS of CuPc−CoPc mixed layers 7.2.4 DFT calculations of the CuPc−CoPc dimer and K doping 7.3 Summary 8 Conclusion and outlook Bibliography Erklärung Lebenslauf Danksagung

<p>This thesis contains two parts. The first part concerns the research work on free molecules using synchrotron-radiation-related techniques. Auger electron spectra of two free open-shell molecules, O₂ and NO, were studied experimentally and theoretically. Photoionization experimental technique with tunable synchrotron radiation source was used to induce core-level electron ionization and obtain the <i>KVV</i> normal Auger electron spectra. A quantitative assignment of O₂ normal Auger spectrum was obtained by applying <i>ab initio</i> CI calculations and LVI Auger line shape simulations including the bond length dependence of Auger transition rates. The photon energy dependence of normal Auger electron spectra was focused on with photon energies in the vicinities of core-ionization threshold energies. Consequently, the MAPCI (Molecular Auger Post Collision Interaction) theory was developed. Taking the near-threshold O₂ normal Auger spectrum as an example, the two extreme cases of MAPCI effect, “atomic-like PCI” and “molecular PCI”, were discovered and discussed. The effect of shape resonance on near-threshold molecular normal Auger spectrum was discussed taking NO near threshold normal Auger spectra as example.</p><p>The second part deals with research work on the chemisorption of small epoxy organic molecules, ethylene oxide, methyl oxirane, on Si (100) surfaces. Synchrotron radiation related techniques, UPS, XPS and NEXAFS, were applied. Based on the valence photoemission spectra, C 1<i>s</i> and Si 2<i>p</i> XPS spectra, the epoxy ring opening reactions of these molecules in chemisorption process were proved. Further tentative search for the surface-adsorbate CDAD effect was performed, and no evident circular dichroism was confirmed.</p>