In the present work a Metal / organic / inorganic semiconductor hybrid heterostructure (Ag / DiMe−PTCDI / GaAs) was built under UHV conditions and characterised in situ. The aim was to investigate the influence of the organic layer in the surface properties of GaAs(100) and in the electrical response of organic−modified Ag / GaAs Schottky diodes. The device was tested by combining surface−sensitive techniques (Photoemission spectroscopy and NEXAFS) with electrical measurements (current−voltage, capacitance−voltage, impedance and charge transient spectroscopies). Core level examination by PES confirms removal of native oxide layers on sulphur passivated (S−GaAs) and hydrogen plasma treated GaAs(100) (H+GaAs) surfaces. Additional deposition of ultrathin layers of DiMe−PTCDI may lead to a reduction of the surface defects density and thereby to an improvement of the electronic properties of GaAs. The energy level alignment through the heterostructure was deduced by combining UPS and I−V measurements. This allows fitting of the I−V characteristics with electron as majority carriers injected over a barrier by thermionic emission as a primary event. For thin organic layers (below 8 nm thickness) several techniques (UPS, I−V, C−V, QTS and AFM) show non homogeneous layer growth, leading to formation of voids. The coverage of the H+GaAs substrate as a function of the nominal thickness of DiMe−PTCDI was assessed via C−V measurements assuming a voltage independent capacitance of the organic layer. The frequency response of the device was evaluated through C−V and impedance measurements in the range 1 kHz−1 MHz. The almost independent behaviour of the capacitance in the measured frequency range confirmed the assumption of a near geometrical capacitor, which was used for modelling the impedance with an equivalent circuit of seven components. From there it was found a predominance of the space charge region impedance, so that A.C. conduction can only takes place through the parallel conductance, with a significant contribution of the back contact. Additionally a non linear behaviour of the organic layer resistance probably due to the presence of traps was deduced. ( ) ω ' R QTS measurements performed on the heterostructure showed the presence of two relaxations induced by deposition of the organic layer. The first one is attributed to the presence of a deep trap probably located at the metal / organic interface, while the second one has very small activation energy ( ~ 20 meV) which are probably due to disorder at the organic film. Those processes with small activation energies proved to be determinant for fitting the I−V characteristics of DiMe−PTCDI organic modified diodes using the expressions of a trapped charge limited current regime TCLC. Such a model was the best analytical approach found for fitting the I−V response. Further improving probably will involve implementation of numerical calculations or additional considerations in the physics of the device.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden vier Phthalocyanine untersucht: Metallfreies-Phthalocyanin (H2Pc), Kupferphthalocyanin (CuPc) und Fluor-substituiertes Phthalocyanin (F4CuPc und F16CuPc). Das Ziel dieser Arbeit ist die Charakterisierung der elektronischen und chemischen Eigenschaften der Grenzflächen zwischen diesen Molekülen und Silizium. Die Moleküle wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf wasserstoffpassivierte Si(111)-Substrate aufgedampft. Oberflächensensitive Messmethoden wie Photoemissionsspektroskopie (PES), Bremsstrahlung Isochromaten Spektroskopie (BIS oder IPES - Inverse Photoemissionsspektroskopie) und Spektroskopie der Röntgen-Absorptions-Feinstruktur (NEXAFS – Near Edge X-Ray Absorption Fine Structure) wurden zur Charakterisierung eingesetzt. Um eine Zuordnung der verschiedenen Komponenten in PES und IPES zu ermöglichen, wurden Methoden der Dichtefunktionaltheorie zur theoretischen Berechnung eingesetzt. Die Energieniveauanpassung an der Grenzfläche zwischen der organischen Schicht und der H-Si-Grenzfläche, sowie die Transportbandlücke von H2Pc, CuPc, F4CuPc und F16CuPc wurden mit Hilfe von PES und IPES bestimmt. Die NEXAFS-Messungen ermöglichten eine genaue Bestimmung der Molekülorientierung relativ zum Substrat. Die Auswertung der Daten zeigte unterschiedliche Molekülorientierungen in dünnen und dicken Filmen. Diese Änderungen wurden mit dem bandverbiegungsähnlichen Verlauf der HOMO-und LUMO-Positionen in Verbindung gebracht. Zusätzlich zu diesem Verhalten wiesen die Grenzflächen auch einen Grenzflächendipol auf, welcher durch die unterschiedlichen Austrittsarbeiten der Kontaktmaterialien hervorgerufen wird. Der Einfluss des Grads der Flouridierung wird durch eine ähnlichen Zunahme der Elektronenaffinität (EA), der Austrittsarbeit (WF) und der Ionisierungsenergie (IE) bestätigt. Die elektronischen Eigenschaften von Metall/organische-Schicht-Grenzflächen und von organischen Schichten unter Sauerstoffeinfluss wurden mit Hilfe von PES und IPES untersucht. Die Ag/Pc Grenzflächen zeigten eine Mischung aus HOMO-LUMO-Verschiebungen und Grenzflächendipolbildung. An den Ag/H2Pc- und Ag/F16CuPc- Grenzflächen wurde ein Ladungstransferkomplex gebildet. Auf der CuPc-Schicht physisorbiert das Ag lediglich und im Fall von F4CuPc wird Ladung zu Ag transferiert, wobei eine andauernde n-Typ-Dotierung an der Grenzfläche erzeugt wird. In Analogie zum Fall der Pc/H-Si Grenzfläche wiesen die Dipole, die hier gefunden wurden, eine lineare Abhängigkeit von EA, WF und IE auf und können durch die Differenz zwischen den Austrittsarbeiten vorausgesagt werden. Das Verhalten der dicken organischen Schichten unter Sauerstoffeinfluss kann in zwei Gruppen eingeteilt werden. Eine Gruppe, bestehend aus H2Pc und F4CuPc, wies nur schwache Wechselwirkung auf und der Sauerstoff physisorbiert auf der Pc-Schicht. Die beiden anderen Moleküle, CuPc und F16CuPc konnten einer Gruppe starker Wechselwirkung zugeordnet werden. CuPc bildet einen Ladungstransferkomplex mit Sauerstoff und auf F16CuPc wird eine polarisierte Schicht gebildet. / In the context of this work four Phthalocyanine were studied: Metal-free Phthalocyanine (H2Pc), Copper Phthalocyanine (CuPc) and fluorine-substituted Phthalocyanine (F4CuPc and F16CuPc). The goal of this work is the electronic and chemical characteristics of the interfaces. The molecules were deposited by organic molecular beam deposition (OMBD) in the ultra high vacuum on hydrogen-passivated Si(111)-Substrate. Surface sensitive techniques such as photoemission spectroscopy (PES), bremsstrahlung isochromate spectroscopy (BIS or IPES - inverse photoemission spectroscopy) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) were used for characterisation. Theoretical computations by density functional theory methods were employed, in order to assign different components in PES and IPES. The energy level alignment at the organic/H-Si interface, as well as the transport gap of H2Pc, CuPc, F4CuPc and F16CuPc were determined by PES and IPES. The NEXAFS measurements determine the exact molecular orientation with respect to the substrate. The evaluation of the data showed different molecular orientation in the thin and thick films. This change was correlated with the band bending like behaviours that emerged at these interfaces. In addition to the band bending like behaviour, the interfaces show also an interface dipole which is driven by the work function difference between the contact materials. The influence of the degree of fluorination is confirmed in the similar increase of the EA, WF and IE. The electronic properties of metal/organic layer interfaces and of organic layer under oxygen influence were examined by PES and IPES. The Ag/Pc interfaces show a mixture of HOMO-LUMO shifts and interface dipole formation. A charge transfer complex is formed in the case of Ag/H2Pc and Ag/F16CuPc interfaces. Ag is physisorbed atop the CuPc. Charge transfers from F4CuPc to Ag creating a continuous n-type doping at the interface. Similar to the Pc/H-Si interfaces the interface dipoles found here show a linear dependence on the EA, WF and IE and can be predicted by the difference in the work functions. The data evaluation of oxygen exposed thick films determined two groups of behaviours. The weak interaction group is represented by H2Pc and F4CuPc, Pcs on which oxygen is physisorbed. The strong interaction group contains the other two molecules CuPc and F16CuPc. CuPc forms a charge transfer complex with oxygen and on top of F16CuPc a polarized layer is formed.

Heutzutage wächst die Nachfrage nach neuartigen Geräten, die teilweise (hybrid) oder völlig aus organischen halbleitenden Materialien hergestellt sind. Der Grund dafür sind die geringen Herstellungskosten sowie die hohe Flexibilität im Moleküldesign und damit einstellbare optische, elektronische und Spintronik-Eigenschaften. Bisher sind mit großem Erfolg organische Leuchtdioden (OLED), organische Solarzellen und gedruckte organische Elektronik-Bauelemente hergestellt worden. Auf Grund ihrer langen Spin-Lebensdauer sind Moleküle auch für Spintronik-Anwendungen sehr geeignet. In dieser Arbeit wurden die elektronischen und optischen Eigenschaften von vier ausgewählten Molekülen analysiert. Davon wurden Kupfer- und Mangan-Phthalocyanin (CuPc und MnPc) für die Untersuchung der Anordnung des Energieniveaus an der Metall-Organischen Halbleitern (M-O) Grenzfläche verwendet. Außerdem werden die andere zwei Moleküle tris(8-hydroxy-quinolinato) Aluminium(III) (Alq3) und N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine (α-NPD) häufig in OLED-Strukturen als Elektron- beziehungsweise Loch-Leiter verwendet. Die Proben sind mittels organischer Molekularstrahl-Abscheidung (OMBD) auf Co (oder Au) Folien beziehungsweise auf einseitig poliertem Si(111) Einkristall hergestellt worden. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Entwicklung der Grenzfläche zwischen CuPc und Co (oder Au) Substrat mittels Valenzband- und Inverser Photoelektronen-spektroskopie (VB-PES und IPES) analysiert und herausgefunden, dass ein „Öffnung“ der Bandlücke mit dem Wachstum der Molekularschicht erfolgt. Ähnliches findet bei die MnPc/Co-Grenzfläche statt. Diese Erkenntnisse sind sehr wichtig für die Entwicklung von zukünftigen leistungsfähigen Spintronik Geräten. Der zweite Teil fokussiert auf die Änderungen der elektronischen Eigenschaften von MnPc und Alq3 während der Oxidation (O2-Aussetzung) beziehungsweise Reduktion (Kalium-Abscheidung). Abgesehen von den VB-PES und IPES Messungen, bieten die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Röntgen-Nahkante- Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) wichtige Informationen w. z. B. die Menge von K in der Molekülschicht und den Spin-Zustand im undotierten und im dotierten MnPc. Der dritte Teil beschäftigt sich mit den optischen Eigenschaften von MnPc, Alq3 und α-NPD als Reinmaterialien sowie mit K-dotierten Molekülen, in situ verfolgt mittels spektroskopischer Ellipsometrie (SE). Vom SE-Spektrum wurde der Imaginärteil der dielektrischen Funktion abgeleitet. Während α-NPD fast keine Änderung im Absorptionsspektrum nach der Dotierung zeigt, zeigt Alq3 dagegen ein Wandel zu einer dotierten Phase mit kleine Änderungen im Spektrum. Dabei hat MnPc drei stabile dotierte Phasen mit großen spektralen Änderungen. Außerdem zeigt die Oxidation von MnPc umgekehrt Eigenschaften zur dotierten Phase. Alle diese Messungen sind einzigartig und sehr wichtig für die Entwicklung von OLED und Spintronik Geräten.

Heutzutage wächst die Nachfrage nach neuartigen Geräten, die teilweise (hybrid) oder völlig aus organischen halbleitenden Materialien hergestellt sind. Der Grund dafür sind die geringen Herstellungskosten sowie die hohe Flexibilität im Moleküldesign und damit einstellbare optische, elektronische und Spintronik-Eigenschaften. Bisher sind mit großem Erfolg organische Leuchtdioden (OLED), organische Solarzellen und gedruckte organische Elektronik-Bauelemente hergestellt worden. Auf Grund ihrer langen Spin-Lebensdauer sind Moleküle auch für Spintronik-Anwendungen sehr geeignet. In dieser Arbeit wurden die elektronischen und optischen Eigenschaften von vier ausgewählten Molekülen analysiert. Davon wurden Kupfer- und Mangan-Phthalocyanin (CuPc und MnPc) für die Untersuchung der Anordnung des Energieniveaus an der Metall-Organischen Halbleitern (M-O) Grenzfläche verwendet. Außerdem werden die andere zwei Moleküle tris(8-hydroxy-quinolinato) Aluminium(III) (Alq3) und N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1,1’-biphenyl-4,4’-diamine (α-NPD) häufig in OLED-Strukturen als Elektron- beziehungsweise Loch-Leiter verwendet. Die Proben sind mittels organischer Molekularstrahl-Abscheidung (OMBD) auf Co (oder Au) Folien beziehungsweise auf einseitig poliertem Si(111) Einkristall hergestellt worden. Im ersten Teil der Arbeit wurde die Entwicklung der Grenzfläche zwischen CuPc und Co (oder Au) Substrat mittels Valenzband- und Inverser Photoelektronen-spektroskopie (VB-PES und IPES) analysiert und herausgefunden, dass ein „Öffnung“ der Bandlücke mit dem Wachstum der Molekularschicht erfolgt. Ähnliches findet bei die MnPc/Co-Grenzfläche statt. Diese Erkenntnisse sind sehr wichtig für die Entwicklung von zukünftigen leistungsfähigen Spintronik Geräten. Der zweite Teil fokussiert auf die Änderungen der elektronischen Eigenschaften von MnPc und Alq3 während der Oxidation (O2-Aussetzung) beziehungsweise Reduktion (Kalium-Abscheidung). Abgesehen von den VB-PES und IPES Messungen, bieten die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Röntgen-Nahkante- Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) wichtige Informationen w. z. B. die Menge von K in der Molekülschicht und den Spin-Zustand im undotierten und im dotierten MnPc. Der dritte Teil beschäftigt sich mit den optischen Eigenschaften von MnPc, Alq3 und α-NPD als Reinmaterialien sowie mit K-dotierten Molekülen, in situ verfolgt mittels spektroskopischer Ellipsometrie (SE). Vom SE-Spektrum wurde der Imaginärteil der dielektrischen Funktion abgeleitet. Während α-NPD fast keine Änderung im Absorptionsspektrum nach der Dotierung zeigt, zeigt Alq3 dagegen ein Wandel zu einer dotierten Phase mit kleine Änderungen im Spektrum. Dabei hat MnPc drei stabile dotierte Phasen mit großen spektralen Änderungen. Außerdem zeigt die Oxidation von MnPc umgekehrt Eigenschaften zur dotierten Phase. Alle diese Messungen sind einzigartig und sehr wichtig für die Entwicklung von OLED und Spintronik Geräten.

<p>Atoms, molecules and clusters all constitute building blocks of macroscopic matter. Therefore, understanding the electronic and geometrical properties of such systems is the key to understanding the properties of solid state objects.</p><p>In this thesis, some atomic, molecular and cluster systems (clusters of O₂, CH₃Br, Ar/O₂, Ar/Xe and Ar/Kr; dimers of Na; Na and K atoms) have been investigated using synchrotron radiation, and in the two last instances, laser light. We have performed x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) on all of these systems. We have also applied ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), resonant Auger spectroscopy (RAS) and near-edge x-ray absorption spectroscopy (NEXAFS) to study many of the systems. Calculations using <i>ab initio</i> methods, namely density functional theory (DFT) and Møller-Plesset perturbation theory (MP), were employed for electronic structure calculations. The geometrical structure was studied using a combination of <i>ab initio</i> and molecular dynamics (MD) methods.</p><p>Results on the dissociation behavior of CH₃Br and O₂ molecules in clusters are presented. The dissociation of the Na₂ molecule has been characterized and the molecular field splitting of the Na 2<i>p</i> level in the dimer has been measured. The molecular field splitting of the CH₃Br 3<i>d</i> level has been measured and the structure of CH₃Br clusters has been determined to be similar to the structure of the bulk solid. The diffusion behavior of O₂, Kr and Xe on large Ar clusters, as a function of doping rate, has been investigated. The shake-down process has been observed from excited states of Na and K. Laser excited Na atoms have been shown to be magnetically aligned. The shake-down process was used to characterize the origin of various final states that can be observed in the spectrum of ground-state K.</p>

Atoms, molecules and clusters all constitute building blocks of macroscopic matter. Therefore, understanding the electronic and geometrical properties of such systems is the key to understanding the properties of solid state objects. In this thesis, some atomic, molecular and cluster systems (clusters of O2, CH3Br, Ar/O2, Ar/Xe and Ar/Kr; dimers of Na; Na and K atoms) have been investigated using synchrotron radiation, and in the two last instances, laser light. We have performed x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) on all of these systems. We have also applied ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS), resonant Auger spectroscopy (RAS) and near-edge x-ray absorption spectroscopy (NEXAFS) to study many of the systems. Calculations using ab initio methods, namely density functional theory (DFT) and Møller-Plesset perturbation theory (MP), were employed for electronic structure calculations. The geometrical structure was studied using a combination of ab initio and molecular dynamics (MD) methods. Results on the dissociation behavior of CH3Br and O2 molecules in clusters are presented. The dissociation of the Na2 molecule has been characterized and the molecular field splitting of the Na 2p level in the dimer has been measured. The molecular field splitting of the CH3Br 3d level has been measured and the structure of CH3Br clusters has been determined to be similar to the structure of the bulk solid. The diffusion behavior of O2, Kr and Xe on large Ar clusters, as a function of doping rate, has been investigated. The shake-down process has been observed from excited states of Na and K. Laser excited Na atoms have been shown to be magnetically aligned. The shake-down process was used to characterize the origin of various final states that can be observed in the spectrum of ground-state K.

Self-assembled monolayers (SAMs) provide well-defined and ordered films of molecules spontaneously chemisorbed on a surface. By designing molecules with desired functionalities, such molecular film can be interesting for a range of applications from molecular electronics to catalysis. Important parameters for SAM applications are the film structure and quality, which are dependent on the structure of molecular constituents, the substrate, and the self-assembly process. In this work, SAMs on Au(111) of a variety of functionalized molecules, with thiol and silane headgroups, have been studied using high-resolution X-ray photoemission spectroscopy (HRXPS), near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy, Infrared reflection absorption spectroscopy (IRRAS), contact angle measurements and Kelvin probe measurements. In particular, the effects of varying the size of the backbone, varying the headgroup, inclusion of a porphyrin tailgroup, different ways of deprotection of the headgroups, and mixed molecular layers have been investigated. The first part of thesis work is focused on SAMs of oligo(phenyleneethynylene) (OPE) derivatives. First the effect of the extent of the conjugated system on the structure of SAM was investigated. As the lateral π-system in the OPE backbone increases, molecular surface densities become lower and molecular inclinations larger. Subsequently, a bulky porphyrin tailgroup was added onto the OPE molecule. Porphyrin-functionalized OPE with several headgroups were compared and the thioacetyl anchor group was found to form a high quality SAM. In the second part of the work, the molecular orientation of thiol-derivatized tetraphenylporphyrin layers was studied. The geometry of the molecular layer and the number of linkers that bind to the gold surface depend strongly on preparation schemes, i.e. whether or not the acetyl protection groups on the thiol were removed before adsorption. Finally, mixed SAMs of a ferrocene-terminated alkanethiol and alkanethiols were studied. By diluting the ferrocene-functionalized molecules in unfunctionalized alkanethiols, the orientational order and the packing density improved. The geometrical structure and the fraction of the ferrocene-terminated molecules can be tuned by controlling the parameters in the preparation scheme.

The electronic properties of Triphenylamine (TPA) in gas phase and adsorbed on gold(111) have been simulated with Quantum Espresso using Density Functional Theory (DFT). To better understand how the presence of a gold surface affects sunlight absorption in the system, partial Density Of States (pDOS) and Near Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) of the system have been calculated. To describe the electronic excitation, three different methods have been used, No Core Hole (NCH), Full Core Hole (FCH) and Half Core Hole (HCH) approximation. The excitation of the TPA molecule was made in the nitrogen (N) atom and in the four different carbon (C) atoms with different electronic environments, C-ipso, C-ortho, C-meta and C-para. When using the HCH method, the absorbing atom must be described by a pseudopotential (PP) which includes half of a hole in the 1s orbital. This PP has been generated and a detailed summary of the process is described. The TPA/gold system relaxes to a position with the central N atom of TPA above an gold (Au) atom in the second layer of the surface and at a distance of 3.66 Angstrom, to the first layer. TPA keeps its symmetry with only small differences in the length of atomic bonds when adsorbed. The most striking result of this study is how the band gap of TPA is affected by the gold layer. From the pDOS we can observe that TPA in gas phase has a clear band gap of 2.2 eV with C-ortho dominating in the valence region and the four carbons dominating in the first unoccupied states. When depositing the molecule on the surface of Au(111), the band gap is essentially gone and a number of states appear between the previous highest occupied and lowest unoccupied molecular orbital in TPA. These new states align in energy with three clusters of states of the gold suggesting an interaction between the molecule and the surface. In the generated NEXAFS of nitrogen and carbon in TPA gas phase, one can observe a small pre-peak before the first unoccupied state. This is reinforced when adsorbing the molecule, which generates a pre-peak of approximately 3 eV in width. The pre-peak is connected to the new peaks seen in pDOS, correlating with experimental results on the same system.