The interaction and orbital energy levels of 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) molecules on a Pb/Si(111) 1x1 substrate have been investigated. A Si(111) sample was annealed to form the 7x7 configuration. 1.5 monolayer of Pb was evaporated onto the surface, which was then annealed. 0.5 monolayer of PTCDA was applied to the substrate through molecular beam epitaxy (MBE). The surface configuration of the substrate was monitored step by step by low-energy electron diffraction (LEED) and scanning tunneling microscopy (STM). Scanning tunneling spectroscopy (STS) was used to pinpoint the energy levels of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) of the molecules. It was found that the PTCDA molecules formed a herringbone pattern on the substrate. The PTCDA electronic energy levels corresponding to the HOMO and the LUMO were obtained. From these values the energy gap between these orbitals, the molecular bandgap of PTCDA on Pb/Si(111) 1x1, was determined.

Die optische in situ-Charakterisierung des Aufwachsens organischer Molekülschichten auf isolierenden und metallischen Substraten (Kaliumchlorid, -bromid und Glimmer, beziehungsweise Gold) ist Gegenstand dieser Arbeit. Am Beispiel der Substanzen Perylen-3,4,9,10- tetrakarbonsäuredianhydrid (PTCDA) und Titanylphthalozyanin (TiOPc), die mittels Molekularstrahlepitaxie abgeschieden werden, wird der Einfluss der Anordnung der Moleküle und der gegebenenfalls hinzugefügten Dotierung auf die messbaren Eigenschaften untersucht. Wie wichtig dabei die Feinabstimmung zwischen den Gitterkonstanten des Substrats und der Ausdehnung der Moleküle ist, äußert sich in schmalen Absorptions- und Emissionsbanden im Falle kommensurablenWachstums von PTCDA auf Kaliumchlorid. Diese Anordnung und ihre Metastabilität werden mit begleitenden Rasterkraftmikroskopie-Untersuchungen und Kraftfeldrechnungen nachgewiesen. Ausgehend von Monolagen neutraler Moleküle kann durch die schrittweise Dotierung mit Kalium die spektrale Entwicklung der Absorption von PTCDA-Anionen verfolgt und einzelnen Ladungsstufen – von Mono- bis Tetraanionen – zugeordnet werden. Durch vorherige Bestrahlung mit Elektronen konnte Glimmer so modifiziert werden, dass auch die spektrale Signatur von PTCDA-Monokationen aufgeklärt werden konnte. In Bestätigung früherer Rastertunnelmikoskopie-Ergebnisse zur Ausbildung von TiOPc- Kristallphasen erfolgt das Wachstum von Phase II auf einer Benetzungsschicht, die Phase I-Anordnung aufweist. Die Schichtdickenabhängigkeit der optischen Eigenschaften wird mit einer Genauigkeit im (Sub-)Monolagenbereich bestimmt und der Verlauf von Oszillatorstärke und Emissionslöschung durch die Orientierung der TiOPc-Moleküle zueinander beziehungsweise ihren Abstand zum Substrat erklärt. / The aim of this work is the in situ monitoring of the growth of molecular thin films on either insulating (potassium chloride, -bromide and mica) or gold substrates by optical spectroscopy. The influence of the molecular arrangement and an optionally added doping on the properties is studied on perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) and titanyl phthalocyanine (TiOPc), deposited by molecular beam epitaxy. The impact of perfect matching between the substrate’s lattice constants and the dimensions of the molecules, appears in narrow absorption and emission bands in case of commensurate growth of PTCDA on potassium chloride. This arrangement and its metastability are proven by accompanying atomic force microscopy and advanced potential energy calculations. Once potassium can be added stepwise to monolayers of neutral PTCDA molecules, the spectral development towards PTCDA anions can be followed and assigned to the reached levels of charging. The crystal growth of TiOPc molecules in phase II takes place on a wetting layer with phase I arrangement, proving earlier results by scanning tunneling microscopy. Measuring the thickness-dependent optical properties with (sub-)monolayer resolution allows a deeper understanding of the dependences of both, the oscillator strength and the efficiency of luminescence quenching, on the molecules’ orientations with respect to each other and on their distance to the substrate.

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Die optische in situ-Charakterisierung des Aufwachsens organischer Molekülschichten auf isolierenden und metallischen Substraten (Kaliumchlorid, -bromid und Glimmer, beziehungsweise Gold) ist Gegenstand dieser Arbeit. Am Beispiel der Substanzen Perylen-3,4,9,10- tetrakarbonsäuredianhydrid (PTCDA) und Titanylphthalozyanin (TiOPc), die mittels Molekularstrahlepitaxie abgeschieden werden, wird der Einfluss der Anordnung der Moleküle und der gegebenenfalls hinzugefügten Dotierung auf die messbaren Eigenschaften untersucht. Wie wichtig dabei die Feinabstimmung zwischen den Gitterkonstanten des Substrats und der Ausdehnung der Moleküle ist, äußert sich in schmalen Absorptions- und Emissionsbanden im Falle kommensurablenWachstums von PTCDA auf Kaliumchlorid. Diese Anordnung und ihre Metastabilität werden mit begleitenden Rasterkraftmikroskopie-Untersuchungen und Kraftfeldrechnungen nachgewiesen. Ausgehend von Monolagen neutraler Moleküle kann durch die schrittweise Dotierung mit Kalium die spektrale Entwicklung der Absorption von PTCDA-Anionen verfolgt und einzelnen Ladungsstufen – von Mono- bis Tetraanionen – zugeordnet werden. Durch vorherige Bestrahlung mit Elektronen konnte Glimmer so modifiziert werden, dass auch die spektrale Signatur von PTCDA-Monokationen aufgeklärt werden konnte. In Bestätigung früherer Rastertunnelmikoskopie-Ergebnisse zur Ausbildung von TiOPc- Kristallphasen erfolgt das Wachstum von Phase II auf einer Benetzungsschicht, die Phase I-Anordnung aufweist. Die Schichtdickenabhängigkeit der optischen Eigenschaften wird mit einer Genauigkeit im (Sub-)Monolagenbereich bestimmt und der Verlauf von Oszillatorstärke und Emissionslöschung durch die Orientierung der TiOPc-Moleküle zueinander beziehungsweise ihren Abstand zum Substrat erklärt. / The aim of this work is the in situ monitoring of the growth of molecular thin films on either insulating (potassium chloride, -bromide and mica) or gold substrates by optical spectroscopy. The influence of the molecular arrangement and an optionally added doping on the properties is studied on perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) and titanyl phthalocyanine (TiOPc), deposited by molecular beam epitaxy. The impact of perfect matching between the substrate’s lattice constants and the dimensions of the molecules, appears in narrow absorption and emission bands in case of commensurate growth of PTCDA on potassium chloride. This arrangement and its metastability are proven by accompanying atomic force microscopy and advanced potential energy calculations. Once potassium can be added stepwise to monolayers of neutral PTCDA molecules, the spectral development towards PTCDA anions can be followed and assigned to the reached levels of charging. The crystal growth of TiOPc molecules in phase II takes place on a wetting layer with phase I arrangement, proving earlier results by scanning tunneling microscopy. Measuring the thickness-dependent optical properties with (sub-)monolayer resolution allows a deeper understanding of the dependences of both, the oscillator strength and the efficiency of luminescence quenching, on the molecules’ orientations with respect to each other and on their distance to the substrate.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum der planaren aromatischen Moleküle Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Peri-Hexabenzocoronen (HBC) auf verschiedenen einkristallinen Oberflächen von Gold und Graphit untersucht. Zur Abscheidung der Moleküle und zur Herstellung dünner hochgeordnerter organischer Schichten wurde eine Molekularstrahlepitaxieanlage mit mehreren Kammern aufgebaut. Bei den Untersuchungen des Wachstums von PTCDA auf der Au(111)- und Au(100)-Fläche wurden drei Klassen von Strukturen gefunden: Eine Fischgrätenstruktur, deren Gitterparameter und molekulare Anordnung der (102)-Ebene des PTCDA-Kristalls entsprechen, eine quadratische Struktur, sowie eine Stabstruktur, die der (010)-Ebene des PTCDA-Kristalls zugeordnet werden kann. Während die Stabstruktur auf Au(100) ein inkommensurables Wachstum zeigt, konnten alle anderen PTCDA-Strukturen sowohl auf Au(111) als auch auf Au(100) als point-on-line epitaktisch klassifiziert werden. Die HBC-Schichten auf Au(111), Au(100)hex und Graphit zeigen abweichend von der Kristallstruktur eine hexagonale Symmetrie. Auf Graphit wächst HBC in einer kommensurablen Struktur. Auf den beiden Au-Oberflächen existieren mehrere Strukturen, die sich in ihrer Orientierung und ihren Gitterkonstanten unterscheiden. Neben einer dominierenden HBC-Struktur lassen sich auf den Au-Flächen weitere Strukturen beobachten, deren Auftreten durch den Bedeckungsgrad und die Substratmorphologie, d.h. die Stufenzahl und Terrassengröße des Substrates bestimmt wird. Alle diese HBC-Strukturen konnten als kommensurabel klassifiziert werden. Die Anordnung der HBC-Moleküle in Multilagen wurde für das System HBC auf Au(100)hex mit Hilfe molekularmechanischer Berechnungen modelliert. Die HBC-Moleküle sind in der zweiten Lage gegenüber denen der ersten Lage so verschoben, dass die C-Atome der Moleküle eine graphitähnliche Anordnung zeigen. Wie die STM Untersuchung der organischen Heteroschichten aus HBC und PTCDA zeigen, ist es möglich, epitaktische organische Heteroschichten auch von Molekülen herzustellen, die sich in ihren Gitterkonstanten und in der Symmetrie unterscheiden. Erstmals ließen sich derartige Schichten mittels Rastertunnelmikroskopie direkt und durch LEED auch im reziproken Raum abbilden. Aus dem in den STM Bildern sichtbaren Moirékontrast wurde die Orientierung der beiden organischen Gitter bestimmt. PTCDA wächst bezüglich des HBC-Gitters weder kommensurabel noch point-on-line koinzident, zeigt jedoch eine feste Winkelorientierung. Es handelt sich in diesem Fall um eine inkommensurable Struktur bezüglich des HBC-Gitters, die jedoch bezüglich des zugrundeliegenden Graphitgitters point-on-line Koinzidenz zeigt. Das Versagen der einfachen geometrischen Epitaxiemodelle kann in diesem Fall auf die Existenz mehrerer, energetisch nahezu gleichwertiger Adsorptionsplätze innerhalb der Einheitszelle des Substrates zurückgeführt werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum der planaren aromatischen Moleküle Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Peri-Hexabenzocoronen (HBC) auf verschiedenen einkristallinen Oberflächen von Gold und Graphit untersucht. Zur Abscheidung der Moleküle und zur Herstellung dünner hochgeordnerter organischer Schichten wurde eine Molekularstrahlepitaxieanlage mit mehreren Kammern aufgebaut. Bei den Untersuchungen des Wachstums von PTCDA auf der Au(111)- und Au(100)-Fläche wurden drei Klassen von Strukturen gefunden: Eine Fischgrätenstruktur, deren Gitterparameter und molekulare Anordnung der (102)-Ebene des PTCDA-Kristalls entsprechen, eine quadratische Struktur, sowie eine Stabstruktur, die der (010)-Ebene des PTCDA-Kristalls zugeordnet werden kann. Während die Stabstruktur auf Au(100) ein inkommensurables Wachstum zeigt, konnten alle anderen PTCDA-Strukturen sowohl auf Au(111) als auch auf Au(100) als point-on-line epitaktisch klassifiziert werden. Die HBC-Schichten auf Au(111), Au(100)hex und Graphit zeigen abweichend von der Kristallstruktur eine hexagonale Symmetrie. Auf Graphit wächst HBC in einer kommensurablen Struktur. Auf den beiden Au-Oberflächen existieren mehrere Strukturen, die sich in ihrer Orientierung und ihren Gitterkonstanten unterscheiden. Neben einer dominierenden HBC-Struktur lassen sich auf den Au-Flächen weitere Strukturen beobachten, deren Auftreten durch den Bedeckungsgrad und die Substratmorphologie, d.h. die Stufenzahl und Terrassengröße des Substrates bestimmt wird. Alle diese HBC-Strukturen konnten als kommensurabel klassifiziert werden. Die Anordnung der HBC-Moleküle in Multilagen wurde für das System HBC auf Au(100)hex mit Hilfe molekularmechanischer Berechnungen modelliert. Die HBC-Moleküle sind in der zweiten Lage gegenüber denen der ersten Lage so verschoben, dass die C-Atome der Moleküle eine graphitähnliche Anordnung zeigen. Wie die STM Untersuchung der organischen Heteroschichten aus HBC und PTCDA zeigen, ist es möglich, epitaktische organische Heteroschichten auch von Molekülen herzustellen, die sich in ihren Gitterkonstanten und in der Symmetrie unterscheiden. Erstmals ließen sich derartige Schichten mittels Rastertunnelmikroskopie direkt und durch LEED auch im reziproken Raum abbilden. Aus dem in den STM Bildern sichtbaren Moirékontrast wurde die Orientierung der beiden organischen Gitter bestimmt. PTCDA wächst bezüglich des HBC-Gitters weder kommensurabel noch point-on-line koinzident, zeigt jedoch eine feste Winkelorientierung. Es handelt sich in diesem Fall um eine inkommensurable Struktur bezüglich des HBC-Gitters, die jedoch bezüglich des zugrundeliegenden Graphitgitters point-on-line Koinzidenz zeigt. Das Versagen der einfachen geometrischen Epitaxiemodelle kann in diesem Fall auf die Existenz mehrerer, energetisch nahezu gleichwertiger Adsorptionsplätze innerhalb der Einheitszelle des Substrates zurückgeführt werden.

In the scope of this diploma thesis the optical properties of organic multilayers and mixed layers were investigated by means of spectroscopic ellipsometry und infrared spectroscopy. The samples were prepared by organic molecular beam deposition in high vacuum on hydrogen passivated Silicon(111) substrates. The structures consist either of N,N-Di(naphthalene-1-yl)-N,N`-diphenyl-benzidine (a-NPD) and tris(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3) or 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) and copper phthalocyanine (CuPc). The optical response of the multilayers consisting of Alq3 and a-NPD could be modelled using the isotropic dielectric functions of single layers assuming sharp interfaces. The planar structure of PTCDA and the CuPc molecules and their orientation in the stack lead to an overlapping of the p-orbitals strongly influencing the optical properties and the orientation of the molecules. It was found that in multilayers as well as in mixed layers the CuPc molecules adopt the orientation of PTCDA molecules with the molecular plane parallel to the substrate. The multilayers were described using the anisotropic dielectric functions of the constituents including intermixing and roughness at the interfaces. The deviation between the simulation and the experiment suggests an electronic interaction due to coupling between the p-orbitals of CuPc and PTCDA at the interfaces. The simulation of the mixed layers reveals a change in line shape of the Q-band of CuPc. Beside ellipsometry and infrared spectroscopy techniques like x-ray reflectometry and AFM were used for investigations. Additionally in this diploma thesis a special sample holder and manipulator was designed with which in-situ-ellipsometry measurements in ultra high vacuum can be performed. / Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden die optischen Eigenschaften von organischen Multilayern und Mischschichten untersucht. Die Schichtstrukturen wurden im Hochvakuum nach dem Verfahren der organischen Molekularstrahldeposition (OMBD) auf H-passivierten Silizium(111)-Substraten hergestellt. Die optische Charakterisierung erfolgte mit dem Verfahren der spektroskopischen Ellipsometrie und der Infrarotspektroskopie. Dabei wurden zwei verschiedene Materialienpaarungen untersucht, die zum einen aus den organischen Substanzen Aluminium 8-Hydroxichinolat (Alq3) und N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenylbenzidin (a-NPD) und zum anderen aus Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) und Kupferphthalocyanin (CuPc) bestanden. Das optische Verhalten der Multilayer und der Mischschichten bestehend aus Alq3 und a-NPD konnte mit den isotropen dielektrischen Funktionen der Einzelschichten simuliert werden. In den PTCDA/CuPc-Schichtsystemen führt die planare Struktur der Moleküle zu einer starken Überlappung der p-Orbitale, was einen großen Einfluss auf die optischen Eigenschaften und die Orientierung der Moleküle hat. Es wurde festgestellt, dass sowohl in den Multilayern als auch in den Mischschichten die CuPc-Moleküle die Anordnung der PTCDA-Moleküle annehmen. Die Multilayer wurden unter Verwendung der anisotropen dielektrischen Funktionen der beteiligten Materialien und unter Berücksichtigung von Grenzflächenrauhigkeit simuliert. Die Unterschiede zwischen Experiment und Modell sind auf eine Kopplung zwischen den p-Orbitalen zurückzuführen. Die Simulationen der Mischschichten zeigten eine Veränderung der Linienform des Q-Bandes von CuPc. Als Untersuchungsmethoden kamen neben der Ellipsometrie und der Infrarotspektroskopie auch die Röntgen-Reflektometrie und das AFM zum Einsatz. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit eine Messeinrichtung aufgebaut, mit der in-situ-Ellipsometriecharakterisierung von Proben im Ultrahochvakuum möglich ist.

Polyaromatic molecules functionalized with carboxylic groups have served as model systems for the growth of organic semiconducting films on a large variety of substrates. Most non-reactive substrates allow for a growth mode compatible with the bulk phase of the molecular crystal with two molecules in the unit cell, but some more reactive substrates including Ag(111) and Ag(110) can induce substantial changes in the first monolayer (ML). In the specific case of Ag(110), the adsorbate unit cell of both NTCDA and PTCDA resembles a brickwall structure, with a single molecule in the unit cell. From this finding, it can be concluded that the adsorbate-substrate interaction is stronger than typical inter-molecular binding energies in the respective bulk phases. In the present work, the interactions between small Ag(110) clusters and a single NTCDA or PTCDA molecule are investigated with different ab initio techniques. Four major ingredients contribute to the binding between adsorbate and substrate: Directional bonds between Ag atoms in the topmost layer and the oxygen atoms of the molecule, Pauli repulsion between filled orbitals of molecule and substrate, an attractive van-der-Waals interaction, and a negative net charge on the molecule inducing positive image charges in the substrate, resulting therefore in an attractive Coulomb interaction between these opposite charges. As both Hartree-Fock theory and density functional theory with typical gradient-corrected density functional do not contain any long range correlation energy required for dispersion interactions, we compare these approaches with the fastest numerical technique where the leading term of the van-der-Waals interaction is included, i.e. second order Møller-Plesset theory (MP2). Both Hartree-Fock and density functional theories result in bended optimized geometries where the adsorbate is interacting mainly via the oxygen atoms, with the core of the molecule repelled from the substrate. Only at the MP2 level, the inclusion of the major part of the attractive van-der-Waals interaction brings the adsorbate back to an arrangement close to parallel to the substrate, with very small differences in height between the different subunits. With respect to experimental data obtained on Ag(111), the calculated distance between adsorbate and substrate is somewhat smaller, indicating that the open Ag(110) surface interacts more strongly with the organic compounds. This is consistent with the fact that only Ag(110) induces a brickwall unit cell of the adsorbate, a clear sign for a particularly large adsorption energy. The resulting model geometries are analysed in terms of cohesive energy, Mulliken charges, core level shifts, and vibrational properties. / Polyaromatische Moleküle, die mit Carboxylgruppen funktionalisiert wurden, haben als Modellsysteme für das Wachstum von organischen Halbleiterfilmen für eine breite Palette von Substraten gedient. Für die meisten nichtreaktiven Substrate ist ein zum molekularen Kristall kompatibles Wachstum mit zwei Monolagen pro Einheitszelle möglich, jedoch erzeugen reaktivere Substrate wie z.B. Ag(111) oder Ag(110) bereits substanzielle Modifikationen in der ersten Monolage. Im speziellen Fall von Ag(110) bildet die Adsorbateinheitszelle sowohl von NTCDA als auch PTCDA eine sogenannte brickwall structure heraus mit einem einzigen Molekül pro Einheitszelle. Aus dieser Beobachtung kann geschlussfolgert werden, dass die Adsorbat-Substrat-Wechselwirkung stärker ist als die typischen intermolekularen Bindungsenergien in der entsprechenden Bulk-Phase. In der vorliegenden Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen kleinen Ag(110)-Clustern und einem einzelnen NCTDA oder PTCDA-Molekül mit verschiedenen ab initio-Techniken untersucht. Im Wesentlichen tragen vier Hauptbestandteile zur Bindung zwischen Adsorbat und Substrat bei: Gerichtete Bindungen zwischen Ag-Atomen in der obersten Substratschicht und den Sauerstoffatomen des Moleküls, Pauli-Abstoßung zwischen besetzten Orbitalen von Molekül und Substrat, eine anziehende Van-der-Waals-Wechselwirkung sowie einer negativen Ladung des Moleküls und der dazugehörigen positiven Spiegelladung im Substrat, die zu einer anziehenden Coulombwechselwirkung führen. Da weder die Hartree-Fock-Theorie noch die Dichtefunktionaltheorie mit dem typischen gradientenkorrigierten Dichtefunktional die für Dispersionswechselwirkungen benötigte langreichweitige Korrelationsenergie beinhalten, vergleichen wir diese beiden Ansätze mit der schnellsten numerischen Methode, die den dominierenden Term der Van-der-Waals-Wechselwirkung beinhaltet, nämlich der Møller-Plesset-Theorie zweiter Ordnung (MP2). Sowohl die Hartree-Fock-Theorie als auch die Dichtefunktionaltheorie sagen verbogene optimierte Geometrien voraus, die vorwiegend durch die Sauerstoffatome interagieren, wohingegen die zentralen Teile des Moleküls vom Substrat abgestoßen werden. Lediglich die MP2, die den wesentlichen Teil der anziehenden Van-der-Waals-Wechselwirkung beinhaltet, sagt eine beinahe parallele Anordnung des Moleküls an das Substrat voraus, wobei die einzelnen Untereinheiten des Moleküls nur unwesentlich verschiedene Abstände zum Substrat haben. Im Vergleich zu experimentellen Daten für Ag(111) ist die berechnete Distanz zwischen Adsorbat und Substrat etwas kleiner, woraus sich schlussfolgern lässt, dass die offene Ag(110)-Oberfläche stärker mit den organischen Verbindungen interagiert. Das ist im Einklang mit der Tatsache, dass nur Ag(110) die brickwall-Struktur des Adsorbats besitzt, was ein deutliches Zeichen für eine hohe Adsorptionsenergie ist. Die resultierenden Modellgeometrien wurden bezüglich ihrer Kohäsionsenergie, Mullikenladungen, Kernelektronenniveauverschiebungen und vibrationeller Eigenschaften untersucht.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ober?ächen- bzw. Grenz?ächenphotospannung (SPV) an dünnen organischen Schichten auf Metallsubstraten. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem System dünner Schichten von 3,4,9,10-Perylen- Tetracarbonsäure-Di-Anhydrid (PTCDA) auf einem Au(110)-Kristall. Für diese Untersuchungen wurde eine phasensensitive Methode auf der Basis der Photoelektronenspektroskopie (PES) mit zusätzlicher modulierter Lichteinstrahlung entwickelt, die es erlaubt, lichtinduzierte Verschiebungen des Ober?ächenpotentials mit einer Au?ösung ? 1mV zu detektieren. Diese modulierte Photoelektronenspektroskopie wird ausführlich vorgestellt. Eine makroskopische Kelvin-Sonde und die Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie (KPFM) werden als weitere Möglichkeiten zur Bestimmung des Ober?ächenpotentials vorgestellt. Die Photospannung wird mit diesen Methoden in Bezug auf drei Parameter untersucht: Da die Barriere an der Grenz?äche, welche für die Ausbildung der Photospannung ursächlich ist, durch die Photospannung reduziert wird, geben Messungen der SPV in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung Informationen über die energetische Struktur der Grenz?äche, speziell über die Höhe der Barriere. Mit den ebenfalls aus diesen Methoden gewonnen Informationen über die Austrittsarbeit und Ionisationsenergie von PTCDA lässt sich ein Bandschema des Systems Au/PTCDA entwickeln. Die wellenlängenabhängigen Messungen zeigen, dass Exzitonen in verschiedenen Zuständen erzeugt werden. Diese werden mit unterschiedlichen Photonenenergien angeregt und besitzen unterschiedliche Di?usionslängen. Da die Exzitonen zum Dissoziieren an die Grenz?äche di?undieren müssen, tragen die unterschiedlichen Exzitonenzust ände mit unterschiedlichem Anteil zur Photospannung bei. Die Untersuchungen der Entstehungs- und Zerfallszeit zeigen, dass sich die Photospannung sehr schnell nach Lichteinschaltung aufbaut. Der Abbau der Photospannung nach Lichtabschaltung erfolgt vergleichsweise langsam. Dies bedeutet, dass die Ladungsträger, die nach der Ladungsträgertrennung in der organischen Schicht zur ückbleiben, in Fallenzuständen gebunden sind, aus denen sie thermisch aktiviert werden müssen. In einem separaten Abschnitt werden die Entwicklung sowie Messergebnisse eines Stimmgabel-Rasterkraftmikroskops (AFM) vorgestellt. Dieses ermöglicht die hochau ?ösende topographische Abbildung der Ober?äche mit einer vertikalen Sensitivität im Ångström-Bereich. Das Ziel, mit diesem Gerät KPFM zu betreiben, konnte beim Einsatz an Luft nicht verwirklicht werden. / Subject of this work is the investigation of surface and interface photovoltage (SPV) of thin organic films on metal substrates. Special attention is focused on the system of thin layers of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) on an Au(110) crystal. For this investigation a novel phase sensitive method was developed based on photoelectron spectroscopy (PES) under additional modulated illumination. It provides the possibility to detect light induced changes in the surface potential with a resolution of about 1mV. This modulated photoelectron spectroscopy is described in detail. Macroscopic Kelvin probe and Kelvin probe force microscopy (KPFM) are presented as further possibilities to measure the surface potential. The photovoltage is investigated by these techniques regarding three parameters: Due to the fact that the barrier at the interface is responsible for the formation of the photovoltage and that the height of this barrier is reduced by the photovoltage, the measurement of the dependence of the SPV on the intensity of the incident light provides information about the energetic structure of the interface. Together with the values of the work function and the ionisation energy of PTCDA, also gained with this methods, a band diagram of the interface can be developed. The wavelength dependent measurements show that excitons can be generated in multiple states. They are excited at different photon energies and have different diffusion lengths. The excitons have to diffuse to the interface to dissociate. Therefore the different excitation states contribute to SPV with different amounts. The investigations upon the generation and decay of the photovoltage shows that the SPV signal appears immediately after switching on the illumination. The decay of the photovoltage after switching off the light is much slower. This implies that the charge carriers are trapped as they remain in the organic film after charge separation at the interface. They have to be thermally activated from this traps. In an extra chapter the development and measurement results of a tuning fork scanning force microscope (AFM) are described. This AFM features high resolution topography images with a vertical sensitivity in the range of single angstroms.

NaCl et KCl sont des matériaux à large bande interdite d’énergie, qui sont de plus en plus utilisés sous forme de couches minces en sciences des surfaces et dans des études de spectroscopie de molécules individuelles, pour découpler électroniquement des molécules organiques d’un substrat métallique. De plus, la réactivité de NaCl et KCl, sous forme de cristaux massifs, sous irradiation électronique ou photonique, a été beaucoup étudiée depuis les années 1970s. Dans ce mémoire de thèse, nous présentons les résultats d’une étude détaillée de couches minces de NaCl et de KCl sur Ag(001) par microscopie et spectroscopie à effet tunnel (STM/STS), diffraction des électrons lents (LEED) et spectroscopie d’électrons Auger (AES) sous ultravide. Afin d’obtenir des couches minces de haute qualité sur une surface métallique et de contrôler les propriétés de ces couches (épaisseur, taille et orientation des domaines, etc.), nous étudions en détails la formation de la couche en fonction des paramètres de croissance. De plus, les mesures de topographie STM montrent que l’épaisseur apparente et le contraste STM des couches isolantes dépendent de la différence de potentiel pointe-surface. Nous décrivons les modifications induites par irradiation électronique d’halogénures d’alcalins dans le régime de couches ultraminces. Les cinétiques et produits de réaction sont examinés dans le cas de couches de NaCl sur Ag(001). Les modifications structurales et chimiques sous faisceau d’électrons d’énergie 52-60 eV et 3 keV sont étudiées en utilisant respectivement le LEED et l’AES. Les effets de l’irradiation sur la géométrie et l’épaisseur des couches (allant de 2 à 5 couches atomiques) sont mesurés en STM. Nous observons que la déplétion en chlore induite par l’irradiation suit une cinétique différente de celles précédemment décrites pour les couches épaisses et cristaux massifs de NaCl. Les atomes de sodium produits par la dissociation de NaCl diffusent vers les zones nues de la surface Ag(001), où ceux-ci forment des superstructures Na-Ag connues pour le système Na/Ag(001). La modification des couches est le résultat de deux processus, pouvant être interprétés comme une désorganisation rapide de la couche avec l’arrachement de molécules de NaCl des bords d’îlots, et une perte lente de l’ordre structural à l’intérieur des îlots de NaCl due à la formation de trous par déplétion du chlore. La cinétique de la croissance des superstructures Na-Ag est expliquée par la diffusion limitée sur la surface irradiée, en raison de l’agrégation de molécules de NaCl désordonnées aux bords de marches du substrat. Nous avons également entrepris l’étude par STM de molécules de PTCDA déposées sur le substrat métallique Ag(001) et sur le système KCl/Ag(001). Nous obtenons une monocouche de PTCDA sur Ag(001) qui présente un arrangement avec une maille carrée. Sur les films de KCl, des molécules de PTCDA isolées ainsi que des structures empilées compactes ont été trouvées. / NaCl and KCl are wide band gap materials that are increasingly used as thin films in surface science and single-molecule spectroscopy studies to electronically decouple organic molecules from a metal substrate. In addition, the reactivity of bulk NaCl and KCl crystals under electron irradiation has been widely studied since the year 1970 s. In this dissertation, we report a detailed investigation on the structures of two different thin films of NaCl and KCl grown on the Ag(001) substrate by scanning tunneling microscopy (STM), scanning tunneling spectroscopy (STS), low energy electron diffraction (LEED), and Auger electron spectroscopy (AES) in ultrathin vacuum condition. In order to obtain high-quality thin films and to control the properties of these films on the metal surface (film thickness, domain size, domain orientation, etc), we study in detail the film growth, especially as a function of the growth parameters. In addition, the apparent height measurements by STM show that the apparent thickness and the STM contrast of these two insulating films are bias dependent. We report on an electron-induced modification of alkali halides in the ultrathin film regime. The reaction kinetics and products of the modifications are investigated in the case of NaCl films grown on Ag(001). Their structural and chemical modification upon irradiation with electrons of energy 52–60 eV and 3 keV is studied using LEED and AES, respectively. The irradiation effects on the film geometry and thickness (ranging from between two and five atomic layers) are examined using STM. We observe that Cl depletion follows different reaction kinetics, as compared to previous studies on thick NaCl films and bulk crystals. Na atoms produced from NaCl dissociation diffuse to bare areas of the Ag(001) surface, where they form Na-Ag superstructures that are known for the Na/Ag(001) system. The modification of the film is shown to proceed through two processes, which are interpreted as a fast disordering of the film with removal of NaCl from the island edges and a slow decrease of the structural order in the NaCl with formation of holes due to Cl depletion. The kinetics of the Na-Ag superstructure growth is explained by the limited diffusion on the irradiated surface, due to aggregation of disordered NaCl molecules at the substrate step edges. We have also investigated the deposition of PTCDA molecules on the metallic substrate Ag(001) and on the KCl/Ag(001) system using STM. We obtain a monolayer of PTCDA molecules on Ag(001) that is arranged in a square unit cell. On KCl films, both individual PTCDA molecules and a densely packed structure are found.