The electronic and magnetic properties of nanographenes strongly depend on their size, shape and topology. While many nanographenes present a closedshell electronic structure, certain molecular topologies may lead to an open-shell structure. Triangular-shaped nanographenes with zigzag edges, which exist as neutral radicals, are of considerable interest both in fundamental science and for future technologies aimed at harnessing their intrinsic high-spin magnetic ground states for spinbased operations and information storage. Their synthesis, however, is extremely challenging owing to the presence of unpaired electrons, which confers them with enhanced reactivity. We report a combined in-solution and onsurface synthesis of π-extended triangulene, a non-Kekulé nanographene with the structural formula C33H15, consisting of ten benzene rings fused in a triangular fashion. The distinctive topology of the molecule entails the presence of three unpaired electrons that couple to form a spin quartet ground state. The structure of individual molecules adsorbed on an inert gold surface is confirmed through ultrahigh-resolution scanning tunneling microscopy. The electronic properties are studied via scanning tunneling spectroscopy, wherein unambiguous spectroscopic signatures of the spin-split singly occupied molecular orbitals are found. Detailed insight into its properties is obtained through tight-binding, density functional and many-body perturbation theory calculations, with the latter providing evidence that π-extended triangulene retains its open-shell quartet ground state on the surface. Our work provides unprecedented access to open-shell nanographenes with high-spin ground states, potentially useful in carbon-based spintronics.

The atomically precise control over the size, shape and structure of nanographenes (NGs) or the introduction of heteroatom dopants into their sp2-carbon lattice confer them valuable electronic, optical and magnetic properties. Herein, we report on the design and synthesis of a hexabenzocoronene derivative embedded with graphitic nitrogen in its honeycomb lattice, achieved via on-surface assisted cyclodehydrogenation on the Au(111) surface. Combined scanning tunneling microscopy/spectroscopy and non-contact atomic force microscopy investigations unveil the chemical and electronic structures of the obtained dicationic NG. Kelvin probe force microscopy measurements reveal a considerable variation of the local contact potential difference toward lower values with respect to the gold surface, indicative of its positive net charge. Altogether, we introduce the concept of cationic nitrogen doping of NGs on surfaces, opening new avenues for the design of novel carbon nanostructures.

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.

Kohlenstoff 2D-Nanoschichten wie Graphen und Graphenoxid sind vielversprechend, aber schwierig in Bezug auf multivalente Wechselwirkungen zu kontrollieren. Das Verständnis, wie neuartige Funktionalisierungsmethoden die Geometrie, Wechselwirkungen und elektronischen Eigenschaften der Graphenblätter beeinflussen, ist der Schwerpunkt dieser Arbeit. Diese Arbeit untersucht zwei Methoden zur Modifikation von 2D-Graphennanoschichten: "Graft to" und "Graft from" Techniken, unter Verwendung von „[2+1] Nitren-Cycloaddition“ und ringöffnender Polymerisation von Glycerin, zusätzlich zum Wachstum von 2D-Triazin-Kohlenstoffstrukturen. Diese modifizierten Nanoschichten wurden hinsichtlich ihrer Wechselwirkung mit dem Vesikulären Stomatitis-Virus (VSV) und ihrer Zweidimensionalität mittels Rastersondenmikroskopie und Raman-Spektroskopie untersucht. Die Studie zeigt das Potenzial funktionalisierter Graphen in der Virologie und liefert Einblicke für zukünftige Forschungen. Ergebnisse zeigten, dass funktionalisierte 2D-TRGO an VSV-Partikel bindet und flexibel genug bleibt, um auf einer flachen Glimmeroberfläche Falten zu bilden, aber sie können die Virushüllen nicht vollständig umschließen. Dies liegt an den hohen Energiekosten für das Biegen großer lateraler Dimensionen (~1-2 μm) im Vergleich zur 200 nm Länge der VSV-Partikel. Eine optimale laterale Dimension von ~300 nm für funktionalisierte 2D-TRGO-Blätter maximiert virale Wechselwirkungen, Hemmungseffizienz und Anzeichen viraler Umhüllung. Triazin, ein Schlüsselmolekül in der Funktionalisierung, kann zur Herstellung von 2D-Triazin-Strukturen im Gramm-Maßstab verwendet werden. Potenzielle Anwendungen funktionalisierter Graphene umfassen spezialisierte antivirale Therapien und die Verwendung als Plattform für antivirale Medikamente. Zudem zeigten die Ergebnisse minimale Störungen der elektronischen Struktur von Graphen durch Triazin-Funktionalisierung. / Carbon-based 2D nanosheets like graphene and graphene oxide are promising but challenging to control in terms of multivalent interactions. Understanding how novel functionalization methods affect graphene sheets' geometry, interaction specificity and electronic properties is the focus of this thesis, which is crucial for advancing the design of 2D nanomaterials. This thesis examines two novel methods for modifying 2D graphene nanosheets: "graft to" and "graft from" techniques, using [2+1] nitrene cycloaddition reactions and ring-opening multibranch polymerization of glycerol in addition to in plane growth of 2D triazine -carbon based structures. These modified nanosheets were studied for their interaction with vesicular stomatitis virus (VSV) and their two-dimensionality using scanning probe microscopy methods and Raman spectroscopy. The study highlights the potential of functionalized graphene nanosheets in virology and provides insights for future research. Results revealed that functionalized 2D TRGO binds to VSV particles and remains flexible enough to wrinkle on a flat mica interface but they cannot completely wrap the viral envelopes. This is due to the high energy cost of bending large lateral dimensions (~1-2μm) compared to the 200 nm length of VSV particles. An optimum lateral dimension of ~300 nm for functionalized 2D TRGO sheets was found to maximize viral interactions, inhibition efficiency, and signs of viral envelopment. Triazine, a key molecule in functionalization, can also be used to create 2D triazine structures on a gram scale. Functionalized graphene's potential applications include specialized antiviral therapies, such as targeted therapies exploiting multivalent interactions between viruses and cellular receptors, and using functionalized graphene as a delivery platform for antiviral drugs. Additionally, results showed minimal disturbance of graphene electronic structure via Triazine functionalization.