In this thesis, soft x-ray absorption spectroscopy (XAS) and resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) studies of the electronic structure of selected organic molecules and liquids were carried out. The first part focuses on the used experimental techniques and the development of the instrumentation necessary for these studies, namely a soft x-ray spectrometer, and a temperature-controlled flow-through liquid cell. The former was optimized by a special analytical ray tracing method developed exclusively for this purpose. Due to its high transmission, the spectrometer facilitates a novel experimental approach of recording comprehensive 'RIXS maps', which are 2-dimensional plots of x-ray scattering intensities as a function of both, excitation and emission photon energy. The liquid cell extends these possibilities to the study of liquids, especially the interaction of molecules in liquids and their chemical reactions under well-controlled conditions. Organic molecules have attracted considerable attention in the last decade. The intense research activities related to these materials have two main motivations: on the one hand, organic molecules have a technological application as building blocks of organic semiconductors, while, on the other hand, organic molecules are the functional elements in biological systems. In order to cost-effectively produce optimized organic electronic devices, a fundamental knowledge of the electronic properties of the organic molecules interface is necessary. Therefore, many studies of the electronic structure of potential candidates for organic electronics exist. Two of these candidates, namely C60 and well-ordered multilayers PTCDA on a Ag(111) surface are investigated in this thesis. For the study of C60 molecules, a comprehensive 'RIXS map' was recorded and analyzed. The RIXS map taken in only 25 minutes allows a quantitative analysis of energy losses, yielding for example the HOMO-LUMO distance. It also identifies a core-excitonic state and facilitates a quantitative comparison of its binding energy with that of valence excitons in C60. Furthermore, decay channel-selective partial fluorescence yield XAS spectra can be extracted from the RIXS map, yielding information on the population of the core-excitonic state as a function of excitation energy. As a second model system of organic molecules relevant for organic electronics, PTCDA was chosen. The complex electronic structure of the occupied states of a highly ordered, flat-lying PTCDA multilayer on a Ag(111) surface was investigated by symmetry-resolved resonant x-ray emission spectroscopy. The rapidly occurring beam damage effects were characterized on the basis of irradiation-time dependent series of C and O x-ray emission spectra. Upon varying the excitation energy and emission geometry, atom- and symmetry-specific carbon K emission spectra with negligible beam damage effects were obtained that allow to distinguish between electronic states with sigma and pi symmetry. A density functional theory calculation of the PTCDA molecule reproduces the energy positions of the most prominent emission features remarkably well. In addition, the energy positions of the sigma and pi emissions agree well with the calculated energies of the respective orbitals. In order to shed light on the second aspect of organic molecules, namely their role in biological systems, first a detailed investigation of the electronic structure and proton dynamics of liquid water as the medium of most chemical and biochemical reactions was carried out. Therefore, a comprehensive oxygen K RIXS map of liquid water was recorded and analyzed in great detail. A temperature-dependent comparison with XAS and RIXS data of D2O, NaOH, and NaOD leads to the conclusion, that ultra-fast dissociation takes place in liquid water on the timescale of the oxygen 1s core hole lifetime, resulting in a characteristic spectral contribution in the RIXS spectra. The dissociation is promoted by intact hydrogen bonds with neighboring molecules. In consequence, the rate of dissociation directly depends on the initial hydrogen bond configuration. In the next step towards biologically relevant systems, the nitrogen K edges of the amino acids glycine and histidine were investigated in powderous form as well as in their native environment, namely in aqueous solution. X-ray absorption and emission spectra of the aqueous solutions were analyzed at pH-values of 6 and for glycine also at pH 12 and compared to the spectra of powders. A pH-value of 12 causes deprotonation of the amino group, leading to significant changes in the nitrogen spectra as compared to pH 6. The results from these four examples demonstrate that a wealth of novel information can be obtained by using the new experimental tools developed in this thesis, namely a highly sensitive x-ray spectrometer and a flow-through liquid cell. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der elektronischen Struktur ausgewählter organischer Moleküle und Flüssigkeiten mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) und resonanter inelastischer Röntgenstreuung (RIXS). Der erste Teil beschreibt die verwendeten spektroskopischen Methoden und die Entwicklung der dafür notwendigen Geräte, insbesondere eines Röntgenspektrometers und einer temperierten Durchflussnasszelle. Ersteres wurde mittels einer eigens dafür entwickelten analytischen Raytracing-Methode optimiert. Aufgrund seiner hohen Transmission ermöglicht das Spektrometer einen für weiche Röntgenstrahlung neuartigen experimentellen Ansatz, nämlich die Aufnahme einer umfassenden RIXS-Karte. Das ist eine 2-dimensionale Auftragung der Röntgenstreuintensität als Funktion der Anregungs- und der Emissionsphotonenenergie. Die Nasszelle erweitert diese experimentellen Möglichkeiten auf die Untersuchung von Flüssigkeiten. Organische Moleküle haben im letzten Jahrzehnt erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die intensiven Forschungsaktivitäten an diesen Materialen haben zwei Hauptmotivationen: einerseits haben organische Moleküle technologische Anwendung als organische Halbleiter, und andererseits sind organische Moleküle die funktionalen Einheiten in biologischen Systemen. Um optimierte organische Halbleiterbauelemente kostengünstig produzieren zu können, muss man über die elektronischen Eigenschaften der organischen Moleküle genauestens Bescheid wissen. Deshalb wurde bereits eine Vielzahl an Untersuchungen potentieller Kandidaten für organische Halbleiterbauelemente durchgeführt. Zwei dieser Kandidaten, nämlich C60 und wohlgeordnete Multilagen von PTCDA auf einer Ag(111)-Oberfläche werden in dieser Arbeit untersucht. Für die Untersuchung der C60 Moleküle wurde eine RIXS-Karte aufgenommen und analysiert, woraus sich direkt die HOMO-LUMO Distanz ergab. Außerdem lässt sich die Existenz eines rumpfexzitonischen Zustands beobachten, dessen Bindungsenergie man quantitativ mit der Valenzexzitonenbindungsenergie in C60 vergleichen kann. Überdies können aus der RIXS-Karte Zerfallskanal-selektive Fluoreszenzausbeute XAS Spektren extrahiert werden, die zum Beispiel Auskunft über die Besetzung des rumpfexzitonischen Zustands als Funktion der Anregungsenergie geben. Als zweites Modellsystem wurde PTCDA ausgewählt, das mittels symmetrieaufgelöster resonanter Röntgenemissionsspektroskopie untersucht wurde. Die dabei rasch einsetzenden Strahlenschäden wurden anhand von Bestrahlungsdauer-abhängigen Serien von Kohlenstoff- und Sauerstoffspektren charakterisiert. Durch Variation der Anregungsenergie und Emissionsgeometrie wurden atom- und symmetriespezifische Kohlenstoffspektren mit vernachlässigbarem Strahlenschaden gewonnen. Diese erlauben die Unterscheidung von elektronischen Zuständen mit sigma- und pi-Symmetrie. Eine Dichtefunktionaltheorie-Rechnung stimmt bemerkenswert gut mit den Energiepositionen der spektralen Signaturen überein. Darüberhinaus passen die spektralen sigma- und pi-Anteile zu den Symmetrien der berechneten Orbitale an den jeweiligen Energiepositionen. Um den zweiten Aspekt organischer Moleküle, nämlich ihre Rolle in biologischen Systemen zu beleuchten, war es zunächst notwendig, die elektronische Struktur und Protonendynamik von flüssigem Wasser zu studieren, das bekanntermaßen das Medium vieler chemischer und biochemischer Reaktionen darstellt. Zu diesem Zweck wurde eine vollständige RIXS-Karte der Sauerstoff K Kante aufgenommen und im Detail analysiert. Ein temperaturabhängiger Vergleich mit XAS and RIXS Daten von D2O, NaOH und NaOD erlaubt die Schlussfolgerung, dass ultra-schnelle Dissoziation auf der Zeitskala der Sauerstoff 1s Rumpflochlebensdauer in flüssigem Wasser stattfindet, die zu einer charakteristischen spektralen Signatur in den RIXS Spektren führt. Diese Dissoziation wird gefördert durch intakte Wasserstoffbrückenbindungen mit benachbarten Wassermolekülen. Damit hängt die Dissoziationsrate direkt von der Ausgangskonfiguration der Wasserstoffbrückenbindungen ab. Im nächsten Schritt in Richtung biologisch relevanter Systeme wurde die Stickstoffkante der Aminosäuren Glyzin und Histidin sowohl in Pulverform als auch in wässriger Lösung untersucht. Röntgenabsorptions- und -emissionsspektren der wässrigen Lösungen wurden bei pH-Werten von 6 und im Falle des Glyzins auch bei pH 12 analysiert und mit den Pulverspektren verglichen. Ein pH-Wert von 12 führt zur Deprotonierung der Aminogruppe, was zu signifikanten Änderungen in der spektralen Signatur der Stickstoffspektren führt. Die Ergebnisse dieser vier Beispiele demonstrieren, dass eine Vielfalt neuartiger Information gewonnen werden kann durch die Anwendung der neuen experimentellen Werkzeuge, die in dieser Arbeit entwickelt wurden, nämlich eines hochempfindlichen Röntgenspektrometers und einer Durchflussnasszelle.

In the frame of this thesis vibronic and electronic states of organic molecules have been examined. A central question is the interaction within and between the molecules in thin films and at metal-organic interfaces. The main experimental tools were high resolution electron energy loss spectroscopy (HREELS) and high resolution near edge X-ray absortion fine structure (NEXFAS). The electronic and vibronic structure of thin NTCDA films was examined with low energy electrons as probe, i.e. HREELS. The spectra of the electronic excited molecular orbitals of submonolayer NTCDA on a Ag(111) shows a partially filled orbital. The interaction between this orbital and the total symetric molecular vibrations leads to the typical Fano peak profiles which are seen in the vibrational spectra. The sub-monolayer superstructure can be driven to a phase transition into an disordered phase upon cooling, which is also seen in the electronic and vibronic excitation spectra. Multilayers show flat lying or upright standing molecules as a function of the preparation conditions. The upright standing molecules show an island growth mode, where the islands are well ordered and exhibit a structure in diffraction experiments which can be attributed to the molecular crystal structure. In order to examine the order in more detail various thin films were examined using SPALEED as function of film thickness and preparation parameters. In case of a low temperature substrate no long range order leading to a diffraction pattern was found. In contrast growth on room temperature substrates leads to island growth of films in a structure of the molecular crystal, where two preferred orientations of the islands relative to the substrate were found. In case of thick films the reference to the substrate gets lost and the molecular crystals grow with a defined crystal direction with respect to the surface but with an arbitrary azimuthal orientation leading to circles in the diffraction pattern. NTCDA monolayers on a Ag(111) surface using HREELS as a tool were examined. The electronic excitation spectra reveal a partially filled molecular orbital which is strongly shifted compared to the multilayer. The existence of this state is responsible for the activation of normally forbidden Ag modes in the vibrational spectra. Due to the electron phonon coupling these modes exhibit a Fano like peak shape. Cooling a monolayer leads to a phase transition with strong changes in the spectroscopic features both in electronic and vibronic excitations. In case of the molecule ANQ the intramolecular interaction was examined. In the oxygen NEXAFS spectra a vibronic fine structure is found, which leads to the conclusion that asymmetric potentials are involved. It is an interesting question if the fundamental vibration is has C-H or C=O character. In order to address this question spectra of condensed and gas phase ANQ were compared to an ANQ derivate (ANQ- Br$_2$Cl$_2$), with the conclusion that the coupling is most likely to a C=O mode. High resolution C1s spectra of hydrogenated and fully deuterated naphthalene both in gas and condensed phase have been presented. Depending on the final state orbital distinct differences have been found between gas and condensed phase. A energetic shift of resonances (Res. B, C, D) is interpreted as effect of $\pi$-$\pi$ interaction in the condensed phase. This is especially notable for resonance B which is undoubtly assigned to an excitation into a $\pi^*$ orbital. The results lead to an interpretation, that for organic molecular crystals more than pure van-derWaals interaction has to be taken into account. In summary it is found that the intramolecular interaction in NEXAFS spectra is preferentially coupled to one or a few vibronic progressions. Due to the delocalized electronic system maybe even states which are not spatially near the core excited atom can be involved. It could be shown that a condensation of the molecules in thin films leads to changes within the spectra. The influence the intermolecular interaction can be clearly seen in this finding, where additional hints are found that more than mere van-der-Waals binding has to be taken into account. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden vibronische und elektronische Zustände großer organischer Moleküle untersucht. Eine zentrale Frage ist die Wechselwirkung innerhalb der Moleküle, zwischen Molekülen, in dünnen Filmen und an Metall-Organik Grenzflächen. Als experimentelle Methoden wurden Hochauflösende Elektronenenergie Verlust Spektroskopie (HREELS) und hoch auflösende Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) verwendet. Die elektronische und vibronische Struktur dünner NTCDA Schichten wurde mit HREELS untersucht. Die elektronischen Anregungsspektren von NTCDA Submonolagen auf einer Ag(111) Oberfläche zeigen ein teilgefülltes Molekülorbital, dessen Wechselwirkung mit totalsymmetrischen Molekülschwingungen zu den typischen asymmetrischen Fano Peaks führt. Die geordnete Monolage lässt sich durch Kühlung in eine ungeordnete Phase überführen, die deutliche Änderungen in den elektronischen und vibronischen Spektren zeigt. Multilagen ergeben in Abhängigkeit von den Präparationsbedingungen flach liegende bzw. fast aufrecht stehende Moleküle. Für aufrecht stehende Moleküle zeigen die Schichten Inselwachstum, wobei die Inseln wohlgeordnet sind und in Streuexperimenten eine Struktur zeigen, die dem Molekülkristall entsprechen. Um die geordneten NTCDA Schichten im Detail zu untersuchen, wurden die verschiedene Schichten in Abhängigkeit von Schichtdicke und Präparationsparametern untersucht. Es zeigt sich, dass sich auf einem gekühlten Substrat keine langreichweitige Ordnung ausbildet, die zu einem Beugungsbild führt. Auf einem Raumtemperatursubstrat dagegen zeigt sich, dass die Moleküle ein Inselwachstum in ihrer Molekülkristallstruktur bevorzugen, wobei zwei Orientierungen der Inseln relativ zum Substrat vorkommen. Bei dicken Schichten geht der Bezug zum Substrat verloren und die Kristallite wachsen mit einem definierten Oberflächenvektor, aber in unterschiedlicher azimutaler Orientierung, was zu Ringen im Beugungsbild führt. NTCDA Monolagen auf einer Ag(111) Oberfläche wurden mittels HREELS untersucht. Die elektronische Struktur der Spektren zeigt ein teilgefülltes Orbital, das im Vergleich mit den Multilagenspektren energetisch stark verschoben ist. Die Existenz dieses Zustandes führt dazu, dass Symmetrie-verbotene A$_g$ Moden in den Schwingungsspektren sichtbar werden. Die Kopplung von elektronischen mit vibronischen Zuständen führt zu den typischen Fano Peak Profilen. Beim Abkühlen dieser Monolagen ist ein Phasenübergang zu beobachten, der zu deutlichen Änderungen der elektronischen und vibronischen Spektren führt. Für das Molekül ANQ wurde die intramolekulare Wechselwirkung untersucht. In den Sauerstoff Spektren zeigt sich eine vibronische Feinstruktur, die auf ein asymmetrisches Potential schließen lässt. Interessant ist die Frage, ob es sich dabei um eine Kopplung an C-H oder an C=O Moden handelt. Um diese Frage zu erörtern wurden, Spektren aus der kondensierten und der Gasphase von ANQ und einem ANQ Derivat (ANQ- Br$_2$Cl$_2$) verglichen, wobei sich zeigt, dass es sich wahrscheinlich um eine Ankopplung an C=O Moden handelt. Hochaufgelöste C1s Spektren von normalem und völlig deuteriertem Naphthalin wurden sowohl in der kondensierten als auch in der Gasphase untersucht. In Abhängigkeit vom Endzustand wurden Unterschiede zwischen Gas- und kondensierter Phase beobachtet. Eine energetische Verschiebung der Resonanzen (Res. B, C, D) wird als Resultat der $\pi$-$\pi$ Wechselwirkung in der kondensierten Phase interpretiert. Dies ist besonders bemerkenswert für Resonanz B, da sie unzweifelhaft einer Anregung in ein $\pi^*$ zugeordnet werden kann. Die Resultate führen zu der Interpretation, dass für einige organische Molekülkristalle mehr als reine Van-der-Waals Wechselwirkung berücksichtigt werden muss. Insgesamt zeigt sich, dass die intramolekulare Wechselwirkung in NEXAFS Spektren eine Ankopplung an eine oder wenige vibronische Progressionen bevorzugt. Dabei können die elektronischen Anregungen wegen der delokalisierten Elektronensysteme auch vibronischen Zustände anregen, die nicht an dem angeregten Kohlenstoff Atom lokalisiert sind. Es konnte gezeigt werden, dass die Kondensation der Moleküle in Filmen zu Änderungen im Spektrum führt. Der Einfluss der intermolekularen Wechselwirkung lässt sich daran deutlich erkennen, wobei es deutliche Hinweise gibt, dass mehr als reine van der Waals Bindung zur Erklärung berücksichtigt werden muss.

Die vorliegende Arbeit demonstriert an Hand von verschiedenen Modellsystemen wie detailliert sich die grundlegenden Eigenschaften molekularer Adsorbate mit der winkelaufgelösten Photoemission erkunden lassen. Die von Peter Puschnig et al. vorgestellte Verknüpfung zwischen Photoemissionsintensität und den Molekülorbitalen im Grundzustand mittels einer Fouriertransformation war dabei entscheidend, um die verschiedenen physikalischen Effekte einordnen und verstehen zu können. Während für Coronen oder HBC die Orbitale im Grundzustand sehr gut zum Experiment passen, lassen sich für PTCDA und NTCDA einige Abweichungen von der DFT-Rechnung auf Basis der (semi-)lokalen GGA- oder LDA-Funktionale erkennen, die sich bei Messungen mit s-Polarisation hervorheben lassen. Diese können auf den Einfluss des Endzustandes in der Photoemission zurückgeführt werden. Im Rahmen der Dysonorbitale lassen sich die dafür verantwortlichen Relaxationseffekte zwischen dem N-Elektronensystem des Moleküls im Grundzustand und dem (N-1)-Elektronensystem des zurückbleibenden Kations explizit beschreiben. Die Berechnung des Photoemissionssignals mittels Fouriertransformation des Grundzustandes kann darüber hinaus weitere physikalische Effekte nicht korrekt berücksichtigen. Erste Anzeichen hierfür konnten am PTCDA-HOMO bei einer Photonenenergie von 27 eV und s-Polarisation detektiert werden. Darüber hinaus kann die Näherung des Photoelektronenendzustands als ebene Welle den beobachteten zirkularen Dichroismus am HOMO und LUMO von PTCDA nicht erklären. Erst in der Erweiterung durch eine Partialwellenzerlegung des Photoelektronenendzustands tritt ein dichroisches Signal in der theoretischen Beschreibung auf. Für das delokalisierte pi-Elektronensystem von PTCDA ist aber selbst diese Verfeinerung noch nicht ausreichend, um das Experiment korrekt beschreiben und weitere Eigenschaften vorhersagen zu können. Qualitativ lassen sich die Veränderungen im CDAD bei der Transformation um 90° für HOMO und LUMO mit einem gruppentheoretischen Ansatz verstehen. Damit ist es möglich, den molekularen Zuständen ihre irreduzible Darstellung zuzuweisen, worüber sich für PTCDA die Verteilung der quantenmechanischen Phase rekonstruieren lässt. Dies ist deshalb äußerst bemerkenswert, da üblicherweise in physikalischen Experimenten nur die Intensität und keine Informationen über die Phase messbar sind. Damit können die Photoemissionsmessungen im k||-Raum vollständig in den Realraum transformiert werden, wodurch die laterale Ortsinformation über die höchsten besetzen Molekülorbitale von PTCDA zugänglich wird. Neben der Bestimmung der molekularen Orbitale, deren Struktur von der Anordnung der Atome im Molekül dominiert wird, enthält die winkelaufgelöste Photoemission Informationen über die Adsorbat-Substrat-Wechselwirkung. Für hoch geordnete Monolagen ist es möglich, die verschiedenen Verbreiterungsmechanismen zu trennen und zu analysieren. Bei den untersuchten Systemen sind die Verbreiterungen aufgrund von unterschiedlichen Adsorptionsplätzen oder Probeninhomogenitäten ebenso wie die experimentelle Auflösung der 2D-Analysatoren vernachlässigbar gegenüber Lebensdauereffekten und evtl. Verbreiterung aufgrund von Dispersionseffekten. Bereits bei den äußerst schwach wechselwirkenden Systemen Coronen auf Ag(111) und Au(111) unterscheiden sich die beiden Systeme in ihrer Lorentzverbreiterung beim HOMO. In erster Näherung lässt sich dies auf eine Lebensdauer des entstandenen Photolochs zurückführen, welches je nach Stärke der Substratkopplung unterschiedlich schnell mit Substratelektronen aufgefüllt werden kann. Die Lorentzbreite als Indikator für die Wechselwirkung bzw. Hybridisierungsstärke zeigt für die Systeme mit Ladungstransfer vom Substrat in das Molekül eine sehr viel größere Verbreiterung. Zum Beispiel beträgt die Lorentzbreite des LUMO für NTCDA/Ag(110) FWHM=427 meV, und somit eine mehr als fünfmal so große Verbreiterung als für das HOMO von Coronen/Au(111). Diese starke Verbreiterung geht im Fall von NTCDA/Ag(110) wie auch bei den untersuchten Systemen NTCDA/Cu(100) und PTCDA/Ag(110) einher mit einem Ladungstransfer vom Substrat ins Molekül, sowie mit der Ausbildung eines zusätzlichen charakteristischen Signals in der Winkelverteilung des LUMO, dem Hybridisierungszustand bei kx,y=0Å-1. Die Intensität dieses Zustands korreliert bei den Systemen NTCDA auf Cu(100) bzw. auf Ag(110) jeweils mit der Lorentzbreite des LUMO-Zustands. Die Hybridisierung zwischen Molekül und Substrat hat noch weitere Auswirkungen auf die beobachtbaren physikalischen Eigenschaften. So führt die starke Hybridisierung mit dem Substrat wiederum dazu, dass sich die intermolekulare Dispersion für die Elektronen im LUMO-Zustand deutlich verstärkt. Der direkte Überlapp der Wellenfunktionen ist im System PTCDA/Ag(110) laut DFT-Rechnungen relativ klein und führt lediglich zu einer Bandbreite von 60 meV. Durch die Hybridisierung mit den delokalisierten Substratbändern erhöht sich der Grad der Delokalisierung im LUMO-Zustand, d.h. die Bandbreite steigt auf 230 meV, wie das Experiment bestätigt. Im Gegensatz zu früheren STM/STS-basierten Messungen [Temirov2006] kann mit der Kombination aus DFT-Rechnung und ARPES-Experiment eindeutig nachgewiesen werden, dass das Substrat im Fall von PTCDA/Ag(110) die Bandbreite verstärken kann, sodass sich die effektive Masse der Lochladungsträger von meff=3,9me auf meff=1,1me reduziert. Im Blick auf die eingangs gestellte Frage, ob sich molekulare Adsorbate eher wie isolierte Moleküle oder als periodische Festkörper beschreiben lassen, kommt diese Arbeit auf ein differenziertes Ergebnis. In den Impulsverteilungen, die sich aus der Form der molekularen Wellenfunktionen ableiten lassen, spiegelt sich eindeutig der isolierte molekulare Charakter wieder. Dagegen zeigt sich in der Energiedispersion E(k||) ein delokalisierter, blochartiger Charakter, und es konnte demonstriert werden, dass es zu einem Vermischen von Metall- und Molekülwellenfunktionen kommt. Molekulare Adsorbate sind also beides, isolierte Moleküle und zweidimensionale Kristalle mit delokalisierten Zuständen. / This work demonstrates the versatility of angular resolved photoemission (ARPES) in extracting fundamental properties of molecular condensates. With the technique proposed by Peter Puschnig et al., ARPES intensities of aromatic molecules can be linked to the absolute square of the fourier transformed molecular orbital. This allows experimentally identifying individual orbitals and understanding different physical mechanisms at the interface between an organic layer and a metal. This technique shows a clear agreement between theoretical intensity distributions, as e.g. derived from density functional theory (DFT), and the measurements on systems like coronene and HBC. Opposite to that, deviations occur on PTCDA and NTCDA for both local and semilocal density functionals, is s-polarized light is used. Additional measurements with different polarisation directions show, that relaxation effects in the final state lead to a mixing of the N-particle initial state with the N-1-particle final state. This phenomenon can be described theoretically within the framework of Dyson orbitals, in an approximate way already by introducing self-interaction corrected density functionals. Additional deviations from the simple approximation of the photoelectron by a plane wave can be made visible with circular polarised light. For the PTCDA HOMO and LUMO, circular dichroism appears in the angular distribution of the photoemission intensity, an effect that is by definition not included in the plane wave approximation. A refined approximation given by the partial wave expansion of the final state shows a distinct dichroism of both the HOMO and LUMO. But apparently this approximation is not able to describe the detailed circular dichroism angular distribution. In the future, this might be possible by applying the Independent Atomic Center (IAC) approximation including multiple intramolecular scattering. The origin of the dichroic signal can be elucidated by measurements with different incidence directions and applying group theory. The changes in the dichroism signal of the HOMO and LUMO upon rotation by 90° is different indicating on different irreducible representations for both states. This paves the way to reconstruct the intramolecular phase distribution for the rather simple PTCDA HOMO and LUMO. Access to this distribution is usually hindered by the measurement process itself due to the absolute square in the evaluation of the photoemission matrix elements. And finally with the knowledge of the intensity and the phase a transformation of the HOMO and LUMO to real space is possible. Next to the measurement of individual molecular orbitals, ARPES contains signatures from the molecule substrate interaction. For a unique identification of the several interaction mechanisms a commensurate lattice of molecules is indispensable. Otherwise different adsorption sites would sum up to a broad photoemission signal, both in energy and momentum direction. For the commensurate systems of coronene or HBC on the Ag(111) and Au(111) surfaces, this prerequisite is fulfilled. The analysis of the peak shape shows different Lorentzian broadenings of the adiabatic vibronic transition of the HOMO. This width can be approximately correlated to the lifetime of the photo hole. Therefor a stronger molecule metal interaction leads to a faster decay of the photo hole on the molecule and consequently to broader lorentzian line width. For example the lorentzian width of the hybridized NTCDA on Ag(110) is of FWHM=427 meV and therewith five times larger than the rather weakly interacting coronene on Au(111). The strong interaction for NTCDA on Ag(110) but also for the investigated systems NTCDA on Cu(100) and PTCDA on Ag(110) goes along with charge transfer from the substrate to the molecule, i.e. the LUMO gets filled for the molecules in the first layer. Moreover a hybridization occurs between the metal and the molecule resulting in an additional contribution to the LUMO in the momentum distribution at kx,y=0Å-1. In the direct comparison of the NTCDA/Ag(110) and NTCDA/Cu(100) adsorption systems, this intensity of this contribution can be linked to the interaction strength deduced from the lorentzian width of the respective LUMO. The hybridization has even more consequences on this interface system. The observable intermolecular band dispersion gets drastically enhanced due to the increased interaction strength mediated by the molecule substrate hybridization. The direct overlap of the PTCDA LUMO wave function is according to the DFT calculation rather small leading to a band width of only 60 meV. Opposite to that, the experiment as well as the calculation for a PTCDA layer adsorbed on a silver slab show a band width of 230 meV, which can only be explained by the additional adsorbate. And opposite to previous STM/STS measurements [Temirov2006] the observed substrate mediated band width enhancement is clearly observed for a molecular state, whose effective mass is reduced by this mechanism from meff=3,9me to meff=1,1me. In conclusion, this work demonstrates how the properties of electrons in molecules and at interfaces to a metal can be detected and characterised by the photoemission technique. If these systems are rather characterized by localized molecular orbitals than by delocalized bloch waves, depends on the individual properties. On the one hand the momentum dependency of the photoemission intensity of indivdual orbitals match nearly perfect the calculation on isolated molecules. On the other hand, the momentum dependent binding energies E(k||) show a bloch-like character, whose band width is amplified by the substrate interaction. This means, the molecular adsorbate is both, molecules and a 2D-crystal with delocalized states.

This thesis consists of two parts of original experimental work, its evaluation, and in- terpretation. Its final goal is to investigate dynamical charge transfer (CT) at a hetero- molecular interface with resonant photoelectron spectroscopy (RPES). In order to achieve this goal preliminary studies have been necessary. First two hetero-molecular inter- faces that exhibit adequate structural properties as well as an appropriate photoelec- tron spectroscopy (PES) spectrum of the valence regime have been identified. The de- sired CT analysis with RPES of these hetero-molecular systems is then conducted on the basis of the knowledge gained by previous RPES studies of homo-molecular sys- tems. The characterization of hetero-molecular films on single crystal Ag surfaces in the first part of this thesis is performed with high resolution core level PES and valence PES. The reproduction of the core level PES data with reference spectra of homo-molecular films allows me to determine which molecule is in direct contact to the Ag surface and which one is situated in higher layers (not the first one). Due to the direct correspon- dence of core level and valence PES the assignment of features in the spectra of the latter technique can be achieved with the identification of the contributions extracted from the evaluation of the data of the former technique. It is found that the systems PTCDA on one monolayer (ML) of SnPc on Ag(111) and CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) are stable at 300 K which means that no significant layer exchange occurs for these systems. In contrast a vertical exchange of CuPc and PTCDA molecules is observed for PTCDA de- posited on top of 1 ML CuPc/Ag(111). Up to a coverage of approximately 0.5 ML of PTCDA molecules these diffuse into the first layer, replace CuPc molecules, and con- sequently force them into higher layers. Above a coverage of approximately 0.5 ML of PTCDA molecules these are also found in higher layers. The search for a promising system for the intended RPES study then leads to an investigation of hetero-molecular films with a combination of F4TCNQ and PTCDA molecules on Ag(110) within the same approach. Depositing F4TCNQ molecules onto a 1 ML PTCDA/Ag(110) film in the herringbone phase at 300 K results in an instable hetero-organic system which un- dergoes a layer exchange. Hereby PTCDA molecules in the first layer are replaced by F4TCNQ molecules similar to the behavior of the system PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111). Switching the order of the preparation steps leads to a stable film of PTCDA/1.0 ML F4TCNQ/Ag(110) at 300 K. Among the stable hetero-molecular films only the system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) exhibits the required wetting growth of the first two layers at 300 K and a valence PES spectrum with energetically separable molecular orbital signals in the same intensity range. Thus this system is identified to be appropriate for a detailed analysis with RPES. The unexpected findings of vertical exchanges in the hetero-molecular films at 300 K motivate a study of the behavior at elevated temperatures for all systems investigated before. Therein it is revealed that annealing 1.5 ML SnPc/1 ML PTCDA/Ag(111) and 1.0 ML PTCDA/1 ML SnPc/Ag(111) to a temperature above the desorption temperature of molecules not in direct contact to the Ag(111) surface results in a 1 ML SnPc/Ag(111) film in both cases. Hence at elevated temperatures (approximately above 420 K) SnPc molecules replace PTCDA molecules in the first layer on Ag(111). At higher temper- atures (approximately above 470 K) PTCDA molecules and SnPc molecules situated above the first layer then desorb from the 1 ML SnPc/Ag(111) sample. Annealing all hetero-molecular films with CuPc and PTCDA molecules on Ag(111) to 570 K leads to a sample with CuPc and PTCDA molecules in the first and only layer. Depending on the initial CuPc coverage different ratios of both molecules are obtained. With a CuPc coverage of exactly 1 ML, or above, films with PTCDA coverages of approxi- mately 0.1–0.2 ML are produced. So at elevated temperatures CuPc molecules replace PTCDA molecules in the first layer of the system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111). Anal- ogously the layer exchange at 300 K for the system PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) is reversed at elevated temperatures. In the case of SnPc and CuPc coverages below 1 ML annealing vertical hetero-molecular systems with PTCDA on Ag(111) up to 570 K re- sults in a single layer of mixed hetero-molecular films with lateral long range order. In this way the system CuPc + PTCDA/Ag(111) is prepared and then characterized as a proper system for a detailed analysis with RPES. Additional annealing experiments of hetero-organic films consisting of F4TCNQ and PTCDA molecules on Ag(110) with an F4TCNQ coverage of 1.0 ML (and above) end in a submonolayer (sub-ML) film of F4TCNQ/Ag(110) that exhibits a contribution of amorphous carbon. Consequently, it can be concluded that at elevated temperatures part of the F4TCNQ molecules decom- pose. In the second part of this thesis homo-molecular multilayer samples and (sub-)ML films on single crystalline metal surfaces are investigated with RPES in order to enable the final RPES study of vertical and lateral hetero-molecular interface systems. First a pho- ton energy (hν) dependent intensity variation of (groups of) molecular orbital signals of exemplary multilayer films (NTCDA and coronene) is studied and explained on the basis of the local character of the electronic transitions in near edge x-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy in combination with the real space probability den- sity of the contributing molecular orbitals. This simple approach is found to be able to correctly describe relative intensity variations by orders of magnitude while it fails for hν dependent relative intensity changes in the same order of magnitude. After that the hν dependent line-shape evolution of an energetically separated molecular orbital signal of a CuPc multilayer is discussed in relation to small molecules in the gas phase and explained with an effect of electron vibration coupling. Through a comparison of the hν dependent line-shape evolution of the highest occupied molecular orbital (HOMO) of a CuPc with a SnPc multilayer the molecule specific character of this effect is identified. Then the same effect with either two (or more) electronic transitions or multiple coupling vibrational modes is observed for a coronene multilayer. Thereafter the influence of the adsorption on metal surfaces on this effect is studied and discussed with special emphasis on a possible contribution by features which are related to dynamical interface CT. For a sub-ML of SnPc/Au(111) no variation with respect to a SnPc multilayer film is detected while for a sub-ML of CuPc/Au(111) less intensity is distributed into the high binding energy (EB) part of the HOMO signal with respect to the corresponding multilayer film. In the RPES data of a sub-ML of coronene/Ag(111) a resonance specific variation of the hν dependent line-shape evolution of the HOMO signal is found by the revelation of a change of this effect with respect to the coronene multilayer data in only one of the two NEXAFS resonances. All these findings are consistently explained within one effect and a common set of parameters, namely all quantities that characterize the potential energy surfaces involved in the RPES process. Through that an alternative explanation that re- lies on dynamical CT can be excluded which influences the following CT analysis with RPES. Three criteria for such an analysis of dynamical interface CT with RPES are identified. In the system coronene on Ag(111) a low EB feature is related to metal-molecule inter- face CT through the assignment of a particular final state and hence named CT state. In the EB region of the frontier molecular orbital signals of the molecule-metal inter- face systems with a signal from the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) in direct valence PES a broad line-shape is measured in RPES. This finding is related to interface CT by a possible explanation that emerges through the comparison to the line- shape of the CT state. The constant kinetic energy (EK ) features detected for several molecule-metal interfaces constitute the third criterion for a CT analysis with RPES. For the molecule-metal interface systems without a LUMO signal in direct valence PES the energy of these features can be calculated with the assignment of the responsible decay channel in combination with explicitly given simplifying assumptions. Through that the involvement of metal-molecule interface CT in the generation of these constant EK fea- tures is demonstrated. The RPES data of the lateral and the vertical hetero-molecular interface, identified in the first part, is then scanned for these three CT criteria. Thereby neither for the lateral hetero-molecular system CuPc + PTCDA/Ag(111) nor for the verti- cal hetero-molecular system CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) dynamical hetero-molecular interface CT can be confirmed. In the former system the molecule-metal interface in- teraction is found to dominate the physics of the system in RPES while in the latter system no hints for a significant hybridization at the CuPc-PTCDA interface can be revealed / Diese Dissertation besteht aus zwei Hauptteilen, in denen neue experimentelle Ergeb- nisse präsentiert, ausgewertet und interpretiert werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, dynamischen Ladungstransfer an einer Heteroorganikgrenzfläche mit resonanter Pho- toelektronenspektroskopie (RPES) zu untersuchen. Um dies zu ermöglichen, musste erst eine solche Heteroorganikgrenzfläche, mit den geforderten strukturellen Eigenschaften, gefunden werden, die außerdem noch ein geeignetes Spektrum des Valenzbereichs in direkter Photoelektronenspektroskopie (PES) aufweist. Zusätzlich erforderte die ange- strebte Ladungstransferanalyse mit RPES vorausgehende RPES Messungen an homo- molekularen Systemen. Das dadurch erlangte Wissen konnte dann für die Interpretation von RPES Messungen heteromolekularer Grenzflächenschichten benutzt werden. Der erste Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Charakterisierung von heteromolekularen Filmen auf Silbereinkristalloberflächen durch hochauflösende PES der Rumpfzustände und PES der Valenzzustände. Die Reproduktion der Spektren der Rumpfzustände mit PES Referenzspektren homomolekularer Filme ermöglicht es herauszufinden welches Molekül direkt auf der Silberoberfläche liegt und welches in höheren Lagen (nicht der ersten) adsorbiert ist. Außerdem können dadurch Signale in PES Spektren des Valenzbe- reiches gewissen Zuständen zugeordnet werden, da ein direkter Zusammenhang von PES der Rumpfzustände und der Valenzzustände existiert. Dieser wiederum ermöglicht es, durch die Analyse der Daten der Rumpfzustände, herauszufinden, welche Beiträge im Spektrum des Valenzbereichs enthalten sein müssen. Mit der Analyse der PES Spektren der Rumpfzustände wird gezeigt, dass die Systeme PTCDA auf einer Monolage (ML) SnPc auf Ag(111) und CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) bei 300 K stabil sind. Somit kann ein signifikanter Austausch von Molekülen zwischen den beiden Lagen dieser vertikalen Heteroschichten ausgeschossen werden. Dampft man hingegen PTCDA Moleküle auf eine 1 ML CuPc/Ag(111) Schicht auf, so wird ein Austausch von CuPc Molekülen mit PTCDA Molekülen beobachtet. Für eine PTCDA Bedeckung von bis zu 0.5 ML diffundieren alle PTCDA Moleküle in die erste Lage, ersetzen die dort befindlichen CuPc Moleküle und zwingen diese in höhere Lagen. Oberhalb einer PTCDA Bedeckung von 0.5 ML adsorbieren diese Moleküle auch in höheren Lagen. Um weitere Systeme zu finden, die für die geplanten RPES Messungen geeignet sind, werden anschließend ebenfalls heteromolekulare Filme, bestehend aus F4TCNQ und PTCDA Molekülen auf Ag(110), mit der gleichen Methode untersucht. Ähnlich dem Verhalten des Systems PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) wird hierbei ein Austausch von PTCDA Molekülen durch F4TCNQ Moleküle in der ersten Lage des Systems F4TCNQ/1 ML PTCDA/Ag(110) beobachtet. Kehrt man die Präparationsreihenfolge hingegen um, kann bei 300 K ein sta- biler Film von PTCDA/1.0 ML F4TCNQ/Ag(110) erzeugt werden. Das System CuPc auf 1 ML PTCDA/Ag(111) wird als einziges stabiles heteromolekulares System identifiziert, welches sowohl bei 300 K das benötigte benetzende Wachstum der ersten beiden Lagen, als auch ein PES Spektrum des Valenzbereichs mit energetisch trennbaren Molekülor- bitalsignalen im gleichen Intensitätsbereich aufweist. Somit ist gezeigt, dass dieses Sys- tem für eine detaillierte Analyse mit RPES geeignet ist. Der unerwartete Befund, dass bei einigen heteromolekularen Filmen ein vertikaler Aus- tausch stattfindet, motiviert eine Studie des Verhaltens aller heteromolekularen Filme bei höheren Temperaturen. Dabei wird gezeigt, dass ein 1 ML SnPc/Ag(111) Film entsteht, wenn eine 1.5 ML SnPc/1 ML PTCDA/Ag(111) und eine 1.0 ML PTCDA/1 ML SnPc/Ag(111) Probe auf eine Temperatur erhitzt werden, bei der Moleküle, welche nicht direkt auf der Ag(111) Oberfläche adsorbiert sind, desorbieren. Bei erhöhter Tempera- tur (oberhalb ca. 420 K) verdrängen also SnPc Moleküle PTCDA Moleküle aus der ersten Lage auf der Ag(111) Oberfläche. Wird die Temperatur weiter erhöht (ober- halb ca. 470 K), so desorbieren PTCDA und SnPc Moleküle, welche sich nicht in der ersten Lage befinden, von dem entstandenen 1 ML SnPc/Ag(111) Film. Das Er- hitzen aller heteromolekularen Filme, die aus PTCDA und CuPc Molekülen bestehen, auf eine Endtemperatur von 570 K resultiert in einer Probe, bei der sowohl CuPc als auch PTCDA Moleküle in der ersten, und einzigen Lage, adsorbiert sind. Abhängig von der anfänglichen CuPc Bedeckung entstehen verschiedene Verhältnisse der bei- den Moleküle. Eine anfängliche CuPc Bedeckung von genau einer ML, oder darüber, führt zu einem Film mit einer PTCDA Bedeckung von ca. 0.1–0.2 ML. Aus den Heiz- experimenten am System CuPc/1 ML PTCDA/Ag(111) folgt also, dass bei erhöhten Temperaturen CuPc Moleküle den Platz von PTCDA Molekülen in der ersten Lage einnehmen. Gleichermaßen wird der Austausch, der für das System PTCDA/1 ML CuPc/Ag(111) bei 300 K erfolgt ist, wieder rückgängig gemacht. Das Erhitzen einer heteromolekularen Probe mit PTCDA Molekülen und SnPc bzw. CuPc Bedeckungen unterhalb einer ML auf 570 K resultiert in einer gemischten heteromolekularen ML, die eine langreichweitige laterale Ordnung besitzt. Auf diese Art und Weise kann das System CuPc + PTCDA/Ag(111) präpariert werden. Die Charakterisierung dieses Systems zeigt, dass es sich für eine detaillierte Analyse mit RPES eignet. In weiteren Experimenten werden heteromolekulare Filme, bestehend aus F4TCNQ und PTCDA Molekülen auf Ag(110) mit einer F4TCNQ Bedeckung von 1.0 ML, und darüber, erhitzt. Hierbei wer- den Submonolagenfilme von F4TCNQ auf Ag(110) erzeugt, die zusätzlich noch amor- phen Kohlenstoff enthalten. Daraus lässt sich schließen, dass ein Teil der F4TCNQ Moleküle beim Erhitzen auf diese Temperaturen zersetzt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit werden homomolekulare Multilagen-, Monolagen und Submololagenfilme auf einkristallinen Metalloberflächen mit RPES untersucht, um die dadurch erlangten Ergebnisse auf RPES Messungen an heteromolekularen Filmen anzu- wenden. Als erstes wird anhand von Messungen an Multilagenfilmen zweier Modell- moleküle (NTCDA und Coronen) die Abhängigkeit der Intensitätsvariation (einer Grup- pe) von Molekülorbitalsignalen von der Photonenenergie (hν) untersucht. Die gewon- nenen Daten werden durch den lokalen Charakter der elektronischen Übergänge in der Nahkantenröntgenabsorptionsfeinstrukturspektroskopie (NEXAFS) und der Realraum- wahrscheinlichkeitsdichte der beitragenden Molekülorbitale erklärt. Mit diesem ver- einfachten Denkansatz können relative Intensitätsvariationen über Größenordnungen be-schrieben werden, bei relativen Veränderungen der Intensität innerhalb der selben Grö- ßenordnung versagt diese Erklärung allerdings. Daraufhin wird die hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung von einem energetisch trennbaren Molekülorbitalsignal einer CuPc Multilage im Vergleich zu kleinen Molekülen in der Gasphase diskutiert und auf einen Effekt der Kopplung von Vibrationen an elektronische Übergänge zurückgeführt. Ein anschließender Vergleich dieser hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung des höchsten besetzten Molekülorbitals (HOMO) von CuPc und SnPc Multilagen offen- bart den molekülspezifischen Charakter dieses Effekts. Danach wird gezeigt, dass für eine Multilage Coronen der selbe Effekt, allerdings mit der Beteiligung zweier (oder mehrerer) elektronischer Übergänge oder aneinander koppelnder Vibrationsmoden, zu sehen ist. Im Anschluss wird der Einfluss durch die Adsorption auf einer Metallober- fläche auf diesen Effekt untersucht und im Hinblick auf eine mögliche Beteiligung von Signalen diskutiert, in deren Entstehung Ladungstransfer beteiligt ist. Der Vergleich der RPES Messung eines Submonolagenfilms von SnPc auf Au(111) und den entsprechen- den Daten einer SnPc Multilage zeigt keinerlei sichtbare Veränderung. Demgegenüber wird für eine Submonolage CuPc auf Au(111) eine verminderte Intensitätsumverteilung in den Teil größerer Bindungsenergie (EB) des HOMO, im Vergleich zur einer CuPc Multilage, festgestellt. Vergleicht man die RPES Daten von einer Submonolage Coro- nen/Ag(111) mit denen des entsprechenden Multilagenfilms, erkennt man eine reso- nanzspezifische Veränderung der hν Abhängigkeit der Linienformentwicklung, da sich nur in einer der beiden NEXAFS Resonanzen eine Veränderung dieses Effekts zwischen dem Submonolagen- und dem Multilagenfilm zeigt. Alle diese experimentellen Be- funde können mit einem einzigen Effekt und einem gemeinsamen Parametersatz erklärt werden. Dies sind alle Parameter, die benötigt werden, um die Potentialenergieober- flächen zu beschreiben, welche im RPES Prozess involviert sind. Dadurch kann eine Alternativerklärung, die auf dynamischem Ladungstransfer beruht, ausgeschlossen wer- den, was wiederum die folgende Ladungstransferanalyse mit RPES entscheidend beein- flusst. Eine solche Ladungstransferanalyse mit RPES kann durch den Nachweis von drei ver- schiedenen mit dynamischem Ladungstransfer assoziierten Signalen durchgeführt wer- den. Ein in den RPES Daten von einer Submonolage Coronen/Ag(111) detektiertes Sig- nal bei niedriger EB kann, durch die Zuordnung eines spezifischen Endzustandes, mit Ladungstransfer über die Grenzfläche zwischen Molekül und Metall hinweg in Verbin- dung gebracht werden. Folglich wird dieses Signal Ladungstransferzustand genannt. Im EB Bereich der am schwächsten gebundenen Molekülorbitalsignale zeigen RPES Messungen eine verbreiterte Linienform für diejenigen Molekülmetallgrenzflächensys- teme, welche ein Signal des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals (LUMO) in di- rekter PES aufweisen. Durch den Vergleich mit der Linienform des Ladungstransfer- zustandes kann eine mögliche Erklärung für diesen experimentellen Befund entwickelt werden, die diesen mit Ladungstransfer in Verbindung bringt. Als drittes Signal, das für eine Ladungstransferanalyse mit RPES herangezogen werden kann, dienen Signale konstanter kinetische Energie (EK ), welche sich in den RPES Daten einiger Molekül- metallgrenzflächensysteme zeigen. Die gemessene Energie dieser Signale kann für die Molekülmetallgrenzflächensysteme, welche kein Signal des LUMO in direkter PES auf- weisen, durch die Zuordnung des verantwortlichen Zerfallskanals und explizit ange- führte Vereinfachungen erfolgreich berechnet werden. Dadurch wird die Beteiligung von Ladungstransfer über die Grenzfläche zwischen Molekül und Metall im Erzeugungspro- zess dieser Signale konstanter EK gezeigt. In den RPES Daten der lateralen und ver- tikalen heteromolekularen Grenzflächensysteme, die im ersten Teil dieser Arbeit identi- fiziert wurden, wird dann letztendlich nach einem Beitrag dieser drei mit Ladungstrans- fer assoziierten Signale gesucht. Weder für das laterale heteromolekulare System CuPc + PTCDA/Ag(111) noch für das vertikale heteromolekulare System CuPc auf 1 ML PTCDA/Ag(111) kann, durch die Detektion eines dieser Signale, Ladungstransfer ent- lang der heteromolekularen Grenzfläche bestätigt werden. Als entscheidender Faktor für die physikalische Beschreibung von RPES am ersten System wird die Wechselwirkung zwischen Molekül und Metall identifiziert. Das zentrale Ergebnis für das zweite Sys- tem ist, dass keine Hinweise auf eine signifikante Hybridisierung an der Grenzfläche zwischen CuPc und PTCDA entdeckt werden können.

The present work reports on the electron–vibron coupling in large organic molecules and particularly on the intermolecular interaction in molecular condensates. The optical and electrical properties of these organic systems are in the focus of attention due to their crucial importance for the development of (hybrid) organic electronic devices. In particular, the charge transport mechanism and hence the interaction between condensed molecules is a matter of debate [1–4]. In order to shed light on this interaction, the spectroscopic signatures of isolated molecules in the gas phase and their condensed counterparts have been studied. The applied technique, near–edge x–ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy, is a local probe with high chemical selectivity, well suited for the investigation of the electronic structure of molecular valence levels [5]. In the experimental part, the experimental set–up developed in this work is described with special attention to the characteristic issues of gas phase measurements, energy calibration and the subsequent data evaluation. The high quality gas phase and solid state NEXAFS spectra are analysed with respect to energy positions, shape and intensity of the sharp pi*–resonances characteristic for these aromatic molecules. Where applicable, a detailed Franck–Condon (FC) analysis of the vibronic fine structure has been performed, yielding additional information on the changes that occur upon solid state formation. Together with former results on vibrational features in large organic molecules, this information has been used to investigate the correlation of vibrational energies in the ground and electronically excited state. We find a relatively good agreement with other empirical studies on vibronic structures in photoelectron spectroscopy (PES) spectra of small molecules [6]. The molecular compounds investigated are in general believed to interact via weak van–der–Waals forces only. The present results however reveal distinct differences between the spectra of the gas and solid phase that can not be explained within the context of a mere interaction by dispersive forces. In detail, differential red–shifts of 0.1 to 0.3eV of transitions assigned to the aromatic system have been observed in the C–K spectra of benzene–tetracarboxylic acid dianhydride (BTCDA), 1,4,5,8–naphthalene–tetracarboxylic acid dianhydride (NTCDA), and 3,4,9,10–perylene–tetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA) upon solid state formation. From BTCDA to PTCDA the shift increases, indicating an improving intermolecular interaction with molecular size or a closer molecular packing. In contrast, all transitions assigned to the anhydride carbon atom (C1) do not show any shift. For the O–K spectra, small changes in relative intensity have been observed for BTCDA and NTCDA. In case of PTCDA, a blue–shift of up to 0.2eV is evident for the OB 1sLEMO+1 transition. Theoretical models for the intermolecular interaction have been proposed in this work, based on a change of molecular geometry and interaction of adjacent molecules in the ground and excited state, respectively. While an interaction of adjacent molecular orbitals may explain the experimental findings for one particular molecule, this model falls short for a comprehensive explanation of all three dianhydrides. For an interaction in the excited state, the excitonic coupling with the neighbours attached at an angle, quantum chemical calculations yield no significant change in peak positions for NTCDA. Unfortunately, results for the stacked neighbours as well as the larger compound PTCDA are still lacking. For tris (8–quinolinol) aluminum (Alq3), the observed peak–shifts are restricted to just one unoccupied orbital, the LEMO+2, which is mainly localised at the phenoxide side of the quinolinol ligands. Although the shifts differ for the individual edges, the main interaction can therefore be assigned to this orbital. In summary, NEXAFS spectroscopy, if performed with great care in terms of experimental details and data analysis especially for the gas phase data, provides very detailed and highly interesting data on the changes of the electronic structure of organic molecules upon condensation. The present data can be applied as a reference for further experimental and (highly desired) theoretical investigations, which are needed for a comprehensive understanding of the complex interaction mechanisms between organic molecules. / Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Kopplung vibronischer und elektronischer Anregungen in großen organischen Molekülen. Die Mechanismen des Ladungstransportes und damit auch die zu Grunde liegende Wechselwirkung dieser Moleküle im Festkörper sind immer noch Gegenstand aktueller Diskussionen [1–4]. Mit der Untersuchung der spektroskopischen Eigenschaften von einerseits freien, also gasförmigen Molekülen, andererseits von (stark) wechselwirkenden Molekülen im Festkörper soll mit der vorliegenden Arbeit ein Beitrag zum besseren Verständnis der intermolekularen Wechselwirkung geleistet werden. Als Methode wurde die Röntgen–Nahkanten–Spektroskopie (NEXAFS) angewandt, die durch ihre chemische Selektivität lokale Informationen über die elektronische Struktur der Valenzzustände der untersuchten organischen Moleküle liefern kann [5]. Im experimentellen Teil wird eine Apparatur zur Untersuchung der organischen Moleküle in der Gasphase, die im Rahmen dieser Arbeit entwickelt wurde, vorgestellt. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den Besonderheiten der Gasphasenmessungen sowie der Energiekalibrierung und anschließenden Datenauswertung. Die qualitativ hochwertigen Spektren werden nach Gesichtspunkten der energieposition, Form und Intensität der für die organischen Moleküle typischer Weise sehr scharfen pi* Resonanzen ausgewertet. Für Spektren mit gut aufgelöster Feinstruktur wurde die darunter liegende Schwingungsstruktur mit Hilfe einer Franck–Condon Auswertung untersucht, woraus sich weitere Informationen über die Einflüsse im Festkörper gewinnen ließen. Die dabei gesammelten Daten wurden zusammen mit den Ergebnissen früherer Untersuchungen der Schwingungsfeinstruktur organischer Moleküle herangezogen, um den Zusammenhang zwischen den Schwingungsenergien im elektronisch angeregten und im Grundzustand zu bestimmen. Dabei ergab sich eine gute Übereinstimmung mit empirischen Untersuchungen der Schwingungsstruktur kleiner Moleküle anhand von Photoelektronenspektroskopie (PES) [6]. Die vorliegenden Ergebnisse zeigen ausgeprägte Unterschiede in den Spektren der verschiedenen Phasen, die sichnicht im Rahmen einer Wechselwirkung durch rein dispersive Kräfte erklären lassen. Im Einzelnen traten zwischen den Gasphasen– und Festkörperspektren der C–K Kanten von 1,2,4,5–Benzoltetracarbonsäuredianhydrid BTCDA, 1,4,5,8–Naphthalintetracarbonsäuredianhydrid NTCDA und 3,4,9,10–Perylentetracarbonsäuredianhydrid PTCDA Rotverschiebungen von 0,1 bis 0,3eV auf. Die entsprechenden elektronischen Übergänge sind jeweils dem aromatischen System zugeordnet und zeigen in der Reihe von BTCDA zu PTCDA eine zunehmende Verschiebung. Dies deutet auf eine verstärkte Wechselwirkung bei größeren Molekülen, beziehungsweise bei einer dichteren Packung hin. Übergänge die dem Anhydrid Kohlenstoff (C1) zugeordnet sind, zeigen jedoch keinerlei Verschiebung. Die Spektren der O–K Kanten von BTCDA und NTCDA weisen lediglich eine leichte Veränderung der relativen Intensitäten auf. Im Falle von PTCDA wurde eine Blauverschiebung von bis zu 0,2eV für den OB 1s LEMO+1 Übergang beobachtet. In dieser Arbeit werden einige theoretische Modelle vorgeschlagen, die auf einer Änderung der Molekülgeometrie bzw. einer Wechselwirkung der Molekülorbitale sowohl im Grund– als auch im angeregten Zustand basieren. Betrachtet man lediglich eine einzelne Molekülsorte, so liefert z.B. eine Wechselwirkung der Orbitale benachbarter Moleküle eine zufriedenstellende Erklärung für die beobachteten Änderungen. Bei einer umfassenden Betrachtung aller Moleküle der Dianhydrid Gruppe scheitert dieses Modell jedoch. Erste quantenchemische Berechnungen der Wechselwirkung mittels einer exzitonischen Kopplung der NTCDA Moleküle mit ihren gewinkelten Nachbarn lieferten keine nennenswerten Verschiebungen der Resonanzenergien. Weiterführende Rechnungen dieser Art stehen jedoch für die gestapelten Nachbarn sowie für das größere PTCDA noch aus. Bei dem Molekül Tris(8-chinolinol)aluminium Alq3 lassen sich alle beobachteten Verschiebungen einem Orbital, dem LEMO+2 zuordnen. Obwohl die Verschiebungen für die verschiedenen Absorptionskanten unterschiedlich sind, lässt sich die Wechselwirkung des Moleküls somit diesem Orbital, das an der Phenolat Seite des Liganden lokalisiert ist, zuordnen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Röntgen–Nahkanten Spektroskopie hochinteressante und sehr genaue Informationen über die Änderung der elektronischen Struktur organischer Moleküle beim Übergang in die kondensierte Phase liefern kann. Die Ergebnisse dieser Arbeit können als eine Referenz für zukünftige experimentelle und theoretische Untersuchungen betrachtet werden. Für ein umfassendes Verständnis der komplexen Wechselwirkung zwischen organischen Molekülen sind diese weiteren Untersuchungen unabdingbar.

In the context of this thesis, the novel method soft X-ray energy-dispersive NEXAFS spectroscopy was explored and utilized to investigate intermolecular coupling and post-growth processes with a temporal resolution of seconds. 1,4,5,8- naphthalene tetracarboxylic acid dianhydride (NTCDA)multilayer films were the chosen model system for these investigations. The core hole-electron correlation in coherently coupled molecules was studied by means of energy-dispersive near-edge X-ray absorption fine-structure spectroscopy. A transient phase was found which exists during the transition between a disordered condensed phase and the bulk structure. This phase is characterized by distinct changes in the spectral line shape and energetic position of the X-ray absorption signal at the C K-edge. The findings were explained with the help of theoretical models based on the coupling of transition dipole moments, which are well established for optically excited systems. In consequence, the experimental results provides evidence for a core hole-electron pair delocalized over several molecules. Furthermore, the structure formation of NTCDA multilayer films on Ag(111) surfaces was investigated. With time-resolved and energy-dispersive NEXAFS experiments the intensity evolution in s- and p-polarization showed a very characteristic behavior. By combining these findings with the results of time-dependent photoemission measurements, several sub-processes were identified in the post- growth behavior. Upon annealing, the amorphous but preferentially flat-lying molecules flip into an upright orientation. After that follows a phase characterized by strong intermolecular coupling. Finally, three-dimensional islands are established. Employing the Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami model, the activation energies of the sub-processes were determined. / Im Rahmen dieser Arbeit wurden die Möglichkeiten der neuartigen Methode energiedispersive Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie für die Untersuchung intermolekularer Wechselwirkungen und zeitabhängiger Prozesse während der Strukturbildung aufgezeigt. Als Modellsystem wurden hierbei 1,4,5,8- Naphthalin-Tetracarboxyls¨aure-Dianhydrid-(NTCDA-) Filme verwendet. Es wurde die Rumpfloch-Elektronen-Wechselwirkung kohärent gekoppelter Moleküle mittels energiedispersiver Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie untersucht. Dabei wurde eine Übergangsphase gefunden, die während der Ausbildung einer langreichweitigen Ordnung zeitlich zwischen der ungeordneten und der Volumenstruktur auftritt. Diese Übergangsphase zeichnete sich durch eine charakteristische Änderung der spektralen Linienform und ihrer energetischen Position bei Messungen an der C K-Kante aus. Die experimentellen Befunde lassen sich mit Hilfe theoretischer Modelle erklären, welche die Kopplung von Übergangsdipolmomenten beschreiben. Diese theoretischen Konzepte sind bei optisch angeregten Systemen etabliert. Die experimentellen Ergebnisse zeigen den über mehrere Moleküle delokalisierten Charakter des Rumpfloch-Elektron-Paars. Zudem wurde die Strukturbildung von mehrlagigen NTCDA-Filmen auf Ag(111) untersucht. Zeitabhängige energiedispersive NEXAFS-Experimente mit s- und p-polarisiertem Licht zeigten ein charakteristisches Verhalten. In Kombination mit zeitabhängigen Photoemissionsmessungen wurden bei der Strukturbildung verschiedene Unterprozesse gefunden. Nach erwärmen der Probe richten sich die ursprünglich flach orientierte Moleküle zunächst auf. Im Anschluss folgt eine Aggregation der Moleküle in einer Phase mit starker intermolekularer Kopplung. Letztendlich bildet sich die bekannte dreidimensionale Filmstruktur aus. Anhand des Kolmogorov-Johnson-Mehl-Avrami Modells konnte die Aktivierungsenergie für die verschiedenen Unterprozesse ermittelt werden.

The projects presented in this thesis cover the examination of the electronic and structural properties of organic thin films at noble metal-organic interfaces. Angle-resolved photoemission spectroscopy is used as the primary investigative tool due to the connection of the emitted photoelectrons to the electronic structure of the sample. The surveyed materials are of relevance for fundamental research and practical applications on their own, but also serve as archetypes for the photoemission techniques presented throughout the four main chapters of this thesis. The techniques are therefore outlined with their adaptation to other systems in mind and a special focus on the proper description of the final state. The most basic description of the final state that is still adequate for the evaluation of photoemission data is a plane wave. Its simplicity enables a relatively intuitive interpretation of photoemission data, since the initial and final state are related to one another by a Fourier transform and a geometric factor in this approximation. Moreover, the initial states of some systems can be reconstructed in three dimensions by combining photoemission measurements at various excitation energies. This reconstruction can even be carried out solely based on experimental data by using suitable iterative algorithms. Since the approximation of the final state in the photoemission process by a plane wave is not valid in all instances, knowledge on the limitations of its applicability is indispensable. This can be gained by a comparison to experimental data as well as calculations with a more detailed description of the photoemission final state. One possible appraoch is based on independently emitting atoms where the coherent superposition of partial, atomic final states produces the total final state. This approach can also be used for more intricate studies on organic thin films. To this end, experimental data can be related to theoretical calculations to gain extensive insights into the structural and electronic properties of molecules in organic thin films. / Die in dieser Arbeit vorgestellten Projekte behandeln die Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften organischer Dünnschichtfilme an Grenzflächen zwischen Edelmetallen und organischen Materialien. Als maßgebliche Messmethode wird die winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie aufgrund der Verbindung der emittierten Photoelektronen mit der elektronischen Struktur der untersuchten Probe angewandt. Die verwendeten Materialien sind sowohl in der Grundlagenforschung als auch für praktische Anwendungen relevant, und dienen gleichzeitig auch als Beispiele für die Photoemissionstechniken, die in den vier Hauptkapiteln der Arbeit präsentiert werden. Diese Techniken werden daher auch bezüglich ihrer Ubertragbarkeit auf andere Systeme dargestellt, wobei besonders auf die korrekte Beschreibung des Endzustands in der Photoemission eingegangen wird. Die simpelste Beschreibung des Endzustands, die für die Auswertung von Photoemissionsdaten noch sinnvoll verwendet werden kann, stellt eine ebene Welle dar. Ihre Einfachheit ermöglicht eine relativ intuitive Interpretation von Photoemissionsdaten, da Anfangs- und Endzustand in dieser Näherung lediglich durch eine Fourier-Transformation und einen geometrischen Faktor verknüpft sind. Kombiniert man die Photoemissionsmessungen bei unterschiedlichen Anregungsenergien, lassen sich zusätzlich die Anfangszustände bestimmter Systeme in guter Näherung dreidimensional rekonstruieren. Mit Hilfe geeigneter iterativer Algorithmen ist diese Rekonstruktion darüber hinaus mit ausschließlich experimentellen Daten realisierbar. Da die Näherung des Endzustands mit einer ebenen Welle nur unter bestimmten Bedingungen ausreichend präzise das reale System widerspiegelt, ist die Kenntnis über die Grenzen ihrer Anwendbarkeit von Bedeutung. Dies kann über den Vergleich mit experimentellen Daten sowie Rechnungen mit detailierteren Beschreibungen des Endzustands in der Photoemission geschehen. Ein möglicher Ansatz basiert auf unabhängig voneinander emittierenden Atomen, deren kohärent überlagerte, partielle Endzustände den gesamten Endzustand formen. Dieser Ansatz kann des Weiteren für komplexere Untersuchungen an organischen Dünnschichten verwendet werden. So können über den Vergleich von experimentellen Messung mit theoretischen Rechnungen umfangreiche Einblicke auf die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der Moleküle in organischen Dünnschichten gewonnen werden.

Im Rahmen dieser Arbeit werden DNA-Basen-Moleküle (Thymin, Cytosin, Adenin und Guanin) auf H-passivierten Si(111)-Substraten mittels theoretischer Berechnungen und optischen Spektroskopien charakterisiert. Für ein einzelnes DNA-Basen-Molekül wurden quantenchemische Berechnungen von Elektronenübergängen und vibronischen Moden durchgeführt. Zusätzlich wurden die vibronischen Eigenschaften von Metall(Ag,In)/Cytosin-Komplexen sowie die Adsorption von einzelnen Cytosin-Molekülen auf H:Si(111)-Oberflächen studiert. Die biomolekularen Schichten von DNA-Basen wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf flachen und vicinalen H:Si(111)-Oberflächen hergestellt. Die Morphologie, Struktur und Kristallinität von DNA-Basen-Schichten wurden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenbeugung (XRD) und Röntgenreflektometrie (XRR) charakterisiert. Die Vibrationseigenschaften von biomolekularen Schichten wurden experimentell durch Infrarotspektrokopie untersucht. Metall(Ag,In)/Cytosin/H:Si(111)-Heterostrukturen wurden mittels oberflächenverstärkter Ramanstreuung (SERS) charakterisiert. In dieser Arbeit wurden erstmals die optischen Konstanten und die dielektrischen Funktionen von dicken DNA-Basen-Schichten auf ebenen H:Si(111)-Oberflächen mittels spektroskopischer Ellipsometrie (SE) bestimmt. Ebenfalls zum ersten Mal wurden dünne biomolekulare Schichten auf vicinalen H:Si(111)-Oberflächen durch Reflektionsanisotropiespektroskopie (RAS) charakterisiert.

Bibliografische Beschreibung, Referat und Schlagwörter M.S. Chem. Ing. Sung Gook Park Thema: Organic Modified GaAs Schottky Contacts Einreichungsdatum: 28. September 2001 Im Rahmen dieser Arbeit wurden organische Halbleitermaterialien verwendet, um damit die Transporteigenschaften von Metal/GaAs(100) Schottky-Kontakten zu kontrollieren. Ziel ist es, Strom-Spannungs- (J-V) und Kapazitäts-Spannungs-Kennenlien (C-V) zu verstehen. Zur chemischen und elektronischen Charakterisierung der GaAs(100)-Oberflächen, organische Molekül/GaAs(100)-Grenzflächen und der Metall/organische Molekül-Grenzflächen wurden die Photoelektronenspektroskopie (PES) und Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) eingesetzt. Verschiedene GaAs(100)-Oberflächen, wie die reine GaAs(100)-c(4x4)-, die Wasserstoff-Plasma behandelte GaAs(100)- und die chalkogenpassivierte GaAs-Oberflächen, wurden als Substrate für die organische Molekularstrahldeposition (OMBD) verwendet. In der Arbeit wird der Einfluss der chemischen und elektronischen Eigenschaften dieser Substratoberflächen auf das Wachstum von organischen Molekülen auf deren Oberflächen untersucht. 3,4,9,10-Perylentetracarboxylic Dianhydrid (PTCDA) und Dimethyl-3,4,9,10-Perylentetracarboxyl Diimid wurden zur organischen Modifizierung von Metall/GaAs(100)-Schottky-Kontakten verwendet. Die organischen Moleküle werden anfänglich an Defekten der GaAs(100)-Oberflächen adsorbiert. Die Adsorption an Defekten führt zu einer Reduktion der inhomogenen Bandverbiegung der GaAs(100)-Oberfläche. Aus den PES-Spektren wurden Energiebanddiagramme für organische Schicht/GaAs(100)-Grenzflächen und Metall/organische Grenzflächen abgeleitet. Entsprechend der relativen energetischen Lagen des Leitungsbandminimums von GaAs(100)-Oberflächen und des niedrigsten unbesetzten Molekülorbitals der organischen Schichten werden Interfacedipole ausgebildet. Die Verwendung von anorganischen Substraten mit systematisch variierender Elektronenaffinität (EA) stellt eine neue Methode zur Bestimmung des Transportniveaus von Elektronen in der organischen Schicht dar. Bei Einfügung von dünnen PTCDA-Schichten zwischen Ag-Elektrode und GaAs(100)-Oberfläche, wurde beobachtet, dass die J-V-Kennlinien in Abhängigkeit von der Dicke der organischen Schicht und der Behandlung der GaAs-Oberflächen systematisch variierte. Dieses Verhalten kann unter Verwendung des Energieniveaudiagramms, das mittels PES bestimmt wurde, und durch eine Barrierenerniedrigung infolge von Bildkräften gut erklärt werden. Durch die Kombination von Oberflächenbehandlung und Einfügen einer dünnen definierten organischen Schicht kann die effektive Barrierenhöhe in einem breiten Bereich verändert, d. h. letztendlich definiert eingestellt und kontrolliert werden. Daraus ergibt sich die Möglichkeit, die Leistungsaufnahme von GaAs-Schottky-Kontakten zu reduzieren. <Schlagwörter> Organische Moleküle, Organische Molekularstrahldeposition (OMBD), GaAs(100), Metall/Hableiter- Schottky-Kontakt, Photoemissionspektroskopie (PES), Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS), Elektrische Messungen

Im Rahmen dieser Arbeit werden DNA-Basen-Moleküle (Thymin, Cytosin, Adenin und Guanin) auf H-passivierten Si(111)-Substraten mittels theoretischer Berechnungen und optischen Spektroskopien charakterisiert. Für ein einzelnes DNA-Basen-Molekül wurden quantenchemische Berechnungen von Elektronenübergängen und vibronischen Moden durchgeführt. Zusätzlich wurden die vibronischen Eigenschaften von Metall(Ag,In)/Cytosin-Komplexen sowie die Adsorption von einzelnen Cytosin-Molekülen auf H:Si(111)-Oberflächen studiert. Die biomolekularen Schichten von DNA-Basen wurden durch organische Molekularstrahldeposition (OMBD) im Ultrahochvakuum auf flachen und vicinalen H:Si(111)-Oberflächen hergestellt. Die Morphologie, Struktur und Kristallinität von DNA-Basen-Schichten wurden mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM), Röntgenbeugung (XRD) und Röntgenreflektometrie (XRR) charakterisiert. Die Vibrationseigenschaften von biomolekularen Schichten wurden experimentell durch Infrarotspektrokopie untersucht. Metall(Ag,In)/Cytosin/H:Si(111)-Heterostrukturen wurden mittels oberflächenverstärkter Ramanstreuung (SERS) charakterisiert. In dieser Arbeit wurden erstmals die optischen Konstanten und die dielektrischen Funktionen von dicken DNA-Basen-Schichten auf ebenen H:Si(111)-Oberflächen mittels spektroskopischer Ellipsometrie (SE) bestimmt. Ebenfalls zum ersten Mal wurden dünne biomolekulare Schichten auf vicinalen H:Si(111)-Oberflächen durch Reflektionsanisotropiespektroskopie (RAS) charakterisiert.