Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse einer Rastertunnelmikroskopiestudie an dem stöchiometrischen Supraleiter Lithium-Eisenarsenid (LiFeAs). Topographie- sowie Spektroskopieuntersuchungen an defektfreien Bereichen der Oberfläche zeigen eine Variation der Atompositionen in Abhängigkeit von der Tunnelspannung. Weiterhin wurde die Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Energielücke untersucht. Dabei konnte die Signatur einer bosonischen Mode und damit eine Kopplung von Quasiteilchen beobachtet werden. Neben der Untersuchung defektfreier Oberflächen wurden auch Defekte und deren Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften analysiert. Es wurde dabei festgestellt, dass Defekte die supraleitende Energielücke ortsabhängig verändern. Die Defekte lassen sich aufgrund ihrer Symmetrie einer möglichen Gitterposition zuordnen. Eine detaillierte spektroskopische Untersuchung verschiedener Defekte zeigt deren Einfluss auf die Zustandsdichte der supraleitenden Quasiteilchen. Dabei stellt sich heraus, dass As-Defekte die supraleitende Energielücke erheblich beeinflussen. Fe-Defekte zeigen hingegen nur einen geringen Effekt. Für die Bestimmung der Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge wurden Messungen im Magnetfeld durchgeführt. Hierfür wird in dieser Arbeit eine geeignete Näherungsfunktion hergeleitet. Die Näherung der differentiellen Leitfähigkeit bei U=0 V in einem Flussschlauch erlaubt die Bestimmung einer Kohärenzlänge von 3,9 nm. Dies entspricht einem oberen kritischen Feld von 21 Tesla. Neben der Bestimmung der Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge wird auch eine Analyse des Flussschlauch-Gitters durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass der Flussschlauch-Gitterabstand dem eines tetragonalen Gitters entspricht. Allerdings zeigt sich für Magnetfelder größer als 6 Tesla eine zunehmende Unordnung des Flussschlauch-Gitters, was auf eine stärker werdende Flussschlauch-Flussschlauch-Wechselwirkung hindeutet. / This work presents scanning tunneling microscopy and spectroscopy investigations on the stoichiometric superconductor lithium iron arsenide (LiFeAs). To reveal the electronic properties, measurements on defect-free surfaces as well as near defects have been performed. The former shows a shift of atomic position with respect to the applied bias voltage. Furthermore, temperature dependent spectroscopic measurements indicate the coupling of quasiparticles in the vicinity of the superconducting coherence peaks. LiFeAs surfaces influenced by atomic defects show a spacial variation of the superconducting gap. The defects can be characterized by their symmetry and thus can be assigned to a position in the atomic lattice. Detailed spectroscopic investigations of defects reveal their influence on the quasiparticle density of states. In particular, Fe-defects show a small effect on the superconductivity while As-defects strongly disturb the superconducting gap. Measurements in magnetic field have been performed for the determination of the Ginzburg-Landau coherence length . For this purpose, a suitable fit-function has been developed in this work. This function allows to fit the differential conductance of a magnetic vortex at U=0 V. The fit results in a coherence length of 3,9 nm which corresponds to an upper critical field of 21 Tesla. Besides measurements on a single vortex, investigation on the vortex lattice have been performed. The vortex lattice constant follows thereby the predicted behavior of a trigonal vortex lattice. However, for magnetic fields larger than 6 Tesla an increasing lattice disorder sets in, presumably due to vortex-vortex-interactions.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein Molekül zu finden und mittels hochauflösender Techniken zu untersuchen, das auf passivierten Halbleiteroberflächen als Schalter in atomaren Schaltkreisen wirken kann. Für diesen Zweck stehen Moleküle zur Verfügung, die aus mindestens einem aromatischen Ring und einer Ankergruppe bestehen, die kovalent auf Silizium bindet. Um einzelne Moleküle auf leitenden Substraten zu untersuchen, hat sich die Nutzung eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM) als geeignetes Werkzeug erwiesen. Zum Einen ist damit die topographische und spektroskopische Charakterisierung von leitenden Proben auf atomarer Ebene möglich, zum Anderen können einzelne Moleküle und Nanostrukturen hochpräzise bewegt oder elektrisch angesprochen werden. Atomare Schaltkreise können besonders präzise auf passivierten Halbleiteroberflächen hergestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Reihe Wasserstoffatome gezielt mit Hilfe einer STM-Spitze von der Oberfläche zu desorbieren. Durch die Überlappung der dann freien Orbitale entstehen, je nach Richtung auf der Oberfläche, atomare Drähte mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Da die Drähte empfindlich hinsichtlich ihrer chemischen Umgebung sind, können diese auch als logische Schaltelemente verwendet werden. Dafür werden die Drähte mit einzelnen Molekülen angesteuert. Geeignete Schaltmoleküle wurden zunächst auf der Au(111)-Oberfläche getestet. Dabei konnten grundlegende und interessante Eigenschaften von selbst-assemblierten Strukturen untersucht werden. Am Modellsystem von nicht-kovalent gebundenen 4-Acetylbiphenyl-Nanostrukturen auf Gold (111) wurde eine neue Methode entwickelt diese Molekülgruppen behutsam zu bewegen. Durch Anlegen eines Spannungspulses auf den Nanostrukturen konnten diese auf der Oberfläche über weite Strecken gezielt und ohne Beeinflussung der internen Struktur positioniert werden. Um Moleküle für zukünftige elektronische Anwendungen zu untersuchen wurde zunächst das Verfahren zur Präparation von sauberen Siliziumoberflächen in die hier verwendeten Anlage implementiert. Es konnten reproduzierbar saubere, (2×1) rekonstruierte Si(100)- Oberflächen präpariert und charakterisiert werden. Nach der erfolgreichen Präparation von Silizium-Oberflächen und der Entwicklung geeigneter Präparationsrezepte für das Schalter-Molekül 4-Acetylbiphenyl (ABP) wurden beide Systeme vereint. Das Molekül konnte erfolgreich auf die Silizium(100)-Oberfläche aufgebracht und die native Adsorptionskonfiguration durch das Anlegen von Spannungspulsen geändert werden. Das Schalten zwischen zwei Konfigurationen ist reproduzierbar und umkehrbar. ABP ist somit der erste umkehrbare molekulare Schalter, der jemals auf Silizium realisiert werden konnte. Bei der Untersuchung technomimetischer Moleküle in Radachsen-Form konnte bisher die Rollbewegung nur anhand der Analyse der Manipulationskurven nachvollzogen und belegt werden. In dieser Arbeit wurde das Rollen eines Nano-Radmoleküls bewiesen. Dazu wurde bei der Synthese in einem Teil der Subphthalocyanin-Räder eine Markierung in Form eines Stickstoffatoms gesetzt. Bei der lateralen Manipulation der Räder auf Gold(111) konnte dann durch Vergleich der STM-Bilder die Markierung verfolgt und darauf geschlossen werden, ob das Rad gerollt oder verschoben wurde. / The aim of this thesis is the investigation of switching properties of single organic molecules, which can be used as molecular latches on a passivated silicon surface. Suitable molecules should be composed of an anchor group that can bind covalently to the silicon surface as well as an aromatic ring for the latching effect. For the imaging as well as the manipulation of single molecules on conductive substrates, a low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM, is a versatile and powerful tool. On the one hand, STM provides topographical and spectroscopic characterization of single molecules on conductive surfaces at the atomic level. On the other hand, under the tip of a STM single molecules and nanostructures can be moved with atomic precision or can be addressed by voltage pulses. Moreover, by STM it is possible to build atomic-scale circuits on passivated semiconducting surfaces as silicon (100). The STM tip is used to extract single hydrogen atoms from the surface to built atomic wires. As the orbitals of the depassivated dangling bonds of the silicon surface overlap differently depending on the direction of the wire in reference to the surface reconstruction, the electrical properties of the wires differ. Moreover, the properties of the wires vary depending on the chemical environment. Taking advantage of these characteristics, the atomic wires can be used as atomic-scale logic elements. However, to bring the input signal to a single logic element, latches are required to controllably passivate and depassivate single dangling-bond pairs. During preliminary studies on possible molecular latches, interesting experiments could be performed on 4-acetylbiphenyl (ABP) on Au(111). The molecules self assemble in non-covalently bond groups of three or four molecules. These groups can be moved controllably by applying voltage pulses on top of the supramolecular structure. The manipulation is possible over long ranges and without losing the internal structure of the assemblies. For the investigation of promising candidates for future molecular electronics on silicon, a preparation procedure tailored to the used UHV machine was developed. During this process, clean (2×1) reconstructed Si(100) surfaces could be prepared reproducibly and were characterized by means of STM imaging and spectroscopy. Switches are essential for electronic circuitry, on macroscopic as well as microscopic level. For the implementation of molecular devices on silicon, ABP is a promising candidate for a latch. In this thesis, ABP was successfully deposited on Si(100) and was switched by applying voltage pulses on top of the molecule. Two stable conformations were found and switching was realized reproducibly and reversibly. In the last part of this work, the rolling of a double-wheel technomimetic molecule was demonstrated. This thesis shows the rolling of a nanowheel on Au(111) as opposed to pushing, pulling or sliding. For this, the subphthalocyanine wheels were tagged by nitrogen during their synthesis. As this tag has different electronic properties than the rest of the wheel, it can be monitored in the STM images. By comparing the images before and after the manipulation the position of the tag proves the actual rolling.

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This thesis presents investigations on hydrogenated graphene by scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS) as well as the implementation of spin-polarized STM. Preparation processes for a magnetic standard sample and spin-sensitive chromium tips are developed. The measurements on graphene reveal specific hydrogen adsorption sites in low coverage and the formation of a pattern at higher coverage. Both is found to be in agreement with previous predictions and calculations. Upon hydrogenation, an impurity midgap state emerges in the density of states which is measured directly for the first time. Complementing angle resolved photoemission experiments confirm that this state is dispersionless over the whole Brillouin zone. A routine is developed to prepare the standard sample system of ultra-thin iron films on tungsten (Fe/W(110)). Investigations on this system confirm the magnetic properties known from literature, including the presence of a spin spiral, and prove that it is well suited for the characterization of spin-polarized tips. Different approaches for the preparation of tips from the antiferromagnetic material chromium are tested. Among these, a promising new method is presented: The coating of crystalline chromium tips with fresh chromium material suggests reproducibility of the tip characteristics. The performance of the produced tips in STM measurements is excellent in regard to a fixed spin-polarization, high resolution and stability. Especially, a recovery of the tip magnetization direction proposed in this thesis makes this new preparation method superior to all processes yielding antiferromagnetic tips reported so far. / Inhalt der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen von hydogeniertem Graphen mittels Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie (RTM/RTS) sowie die Einführung spin-polarisierter RTM. Im Rahmen dessen wurden Präparationsprozesse für magnetische Standardproben und spin-sensitive Chrom-Spitzen entwickelt. Die Messungen an Graphen zeigen spezifische Wasserstoff-Adsorptionsstellen bei geringer Bedeckung und die Ausbildung eines Musters bei höherer Bedeckung, jeweils in Übereinstimmung mit Vorhersagen und Berechnungen. Der durch Hydrogenierung entstehende Störstellenzustand in der Bandlücke der Zustandsdichte wurde zum ersten Mal direkt gemessen. Ergänzende winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopieexperimente bestätigen, dass dieser Zustand in der gesamten Brillouinzone dispersionsfrei ist. Ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Standardproben aus ultradünnen Eisenfilmen auf Wolfram (Fe/W(110)) wurde entwickelt. RTM-Untersuchungen an diesem System bestätigen die bereits aus der Literatur bekannten magnetischen Eigenschaften, insbesondere das Vorhandensein einer Spinspirale. Damit ist Fe/W(110) hervorragend geeignet für die Charakterisierung spin-polarisierter Spitzen. Verschiedene Ansätze, die zur Herstellung von Spitzen aus dem antiferromagnetischen Material Chrom verfolgt wurden, werden präsentiert, darunter auch eine vielversprechende neue Methode: Das Aufwachsen eines frischen Chromfilms auf kristalline Spitzen desselben Materials verspricht eine Reproduzierbarkeit von Spitzeneigenschaften. Der Einsatz von so hergestellten Spitzen in RTMMessungen ist geprägt von einer festgelegten Spin-Polarisation, hohem Auflösungsvermögen und Stabilität. Insbesondere die mögliche Reproduzierbarkeit der Magnetisierungsrichtung, die in dieser Arbeit diskutiert wird, macht diese Methode allen bisher berichteten Herstellungprozessen antiferromagnetischer Spitzen überlegen.

We investigated the electronic structure of the two nematic materials Sr₃Ru₂O₇ and Ca(Fe₀.₉₇Co₀.₀₃As)₂ using spectroscopic – imaging scanning tunneling microscopy (SI-STM) and angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES). – – – Sr₃Ru₂O₇ is an itinerant metamagnet that shows a putative quantum critical endpoint at 8 Tesla, submersed by the formation of a nematic electronic phase. Using ARPES, we identified at least 5 Fermi pockets in agreement with quantum oscillation measurements. Surprisingly, we found Fermi velocities up to an order of magnitude lower than in single layer Sr₂RuO₄ and up to 35 times lower than predicted by ab initio calculations. Many bands are confined in an energy range of only ∼10 meV below the Fermi level. This, as well as distinct peak-dip-hump shapes of the spectra with a characteristic energy of around ∼5 meV indicate strong correlations and a possible nontrivial mechanism that is absent in single layer Sr₂RuO₄ and connected to the nematicity. The quasiparticle interference of one of the bands was detected by SI-STM, which was also used to measure subatomic features with the symmetries of the relevant Ru d orbitals. – – – In the second mate- rial, the iron-based high-temperature superconductor Ca(Fe[subscript(1-x)]Co[subscript(x)]As)₂, we discovered electronic nematic nano-pattern in its under-doped ‘parent’ state. We spectroscopically imaged this state in real space over large areas and across domain boundaries that change the directionality of the nano-pattern by 90°. We propose that oriented, dimer-shaped electronic nematogens are responsible for this pattern, in striking contrast to what has been expected and observed in electronic nematic materials. The dimers consist of two Gaussian conductance peaks separated by about 8 a[subscript(FeFe)]. Unidirectionality also shows in the quasiparticle interference pattern of the delocalized electrons. The dispersion is in agreement with scattering from the α₂ band discovered by ARPES but has distinct C₂ symmetry, not inconsistent with a C₄-symmetric band scattered by the proposed dimers.

Transition metal oxides (TMO) have proven to exhibit novel properties such as high temperature superconductivity, magnetic ordering, charge and spin density waves, metal to insulator transitions and colossal magnetoresistance. Among these are a spin-orbit coupling (SOC) induced Mott insulator Sr2IrO4. The electric transport properties of this material remain finite even at cryogenic temperatures enabling its complex electronic structure to be investigated by a scanning tunneling microscope. At T = 77 K, we observed two features which represent the Mott gap with a value of 2D ~ 615 meV. Additionally an inelastic loss feature was observed inside this gap due to a single magnon excitation at an energy of ~ 125 meV. These features are consistent with similar measurements with other probes. In addition to these features, at T = 4.2 K lower energy features appear which are believed to be due to additional magnetic ordering. Another material that exhibits a unique physical behavior is the sliding charge density wave (CDW) material TaS3. It is a quasi-one dimensional material that forms long narrow ribbon shaped crystals. It exhibits anomalies including non-ohmic conductivity, a decrease in the Young’s modulus, a decrease in the shear modulus and voltage induced changes in the crystal’s overall length. In addition, we have observed the torsional piezo-like response, voltage induced torsional strain (VITS), in TaS3 which was first discovered by Pokrovskii et. al. in 2007. Our measurements were conducted with a helical resonator. The VITS response has a huge effective piezoelectric coefficient of ~ 104 cm/V. In addition we have concluded that the VITS is a very slow response with time constants of ~ 1 s near the CDW depinning threshold, that these time constants are dependent on the CDW current, and we suggest that the VITS is due to residual twists being initially present in the crystal.

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De nos jours, l’élaboration d’objets de dimensions nanométriques constitue un champ de recherches particulièrement prometteur pour la conception de systèmes de petite taille. La possibilité d’exploiter ces systèmes dans des applications telles que l’électronique moléculaire ou la modification des propriétés de surface a suscité l’engouement auprès de la communauté scientifique. Cependant, afin de construire des dispositifs électroniques complexes à partir de molécules organiques, l’assemblage covalent de briques moléculaires sur une surface est primordial. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse portent sur l’élaboration de réseaux bidimensionnels à partir de briques moléculaires déposées sur surface. La réalisation de tels réseaux consiste d’une part, en la synthèse des différents précurseurs, et par la suite, au dépôt de ces briques moléculaires sur des surfaces métalliques ou de graphite. La croissance de ces réseaux est contrôlée en variant les conditions de dépôts qui s’opèrent dans un milieu sous-vide ou liquide. Le réseau peut être construit à partir d’un même précurseur, qui réagit dès lors sur lui-même pour former le réseau. Ainsi, des réactions telles que l’auto-condensation, la polymérisation oxydative ou encore la cyclotrimérisation sont abordées. De plus, les réactions entre deux précurseurs de natures différentes sont également décrites. Après la synthèse des briques moléculaires, leur étude sur surface est détaillée dont la caractérisation de réseaux est suivie par microscopie à effet tunnel. / Nowadays, the engineering of nanometer-sized systems is a promising field for the development of little-sized systems. The possibility of extending these systems to applications such as molecular electronics or surface property tuning has attracted much attention to the scientific community. However, in order to construct complex electronic devices from organic molecules, covalent assembly of building blocks on surface is primordial. The researches carried out in this work thesis rest on the construction of two-dimensional frameworks from molecular building blocks deposited on surface. The achievement of such networks consists, first of all, in the synthesis of different precursors and afterwards, in the deposition of these molecular buildingblocks on metallic or graphite surfaces. The growth of such networks is controlled by changing deposition conditions which occurs in ultra-high vacuum or in liquid media. The framework can be built from the precursor itself, which reacts with each other to give rise to the network. Reactions such as self-condensation, oxydative polymerization or either cyclotrimerization are broached. Moreover, reactions between two different precursors are also described. After molecular building block synthesis, on-surface study is detailed which framework characterization is followed by scanning tunneling microscopy.