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Fractionalization is a phenomenon in which strong interactions in a quantum system drive the emergence of excitations with quantum numbers that are absent in the building blocks. Outstanding examples are excitations with charge e/3 in the fractional quantum Hall effect1,2, solitons in one-dimensional conducting polymers3,4 and Majorana states in topological superconductors5. Fractionalization is also predicted to manifest itself in low-dimensional quantum magnets, such as one-dimensional antiferromagnetic S = 1 chains. The fundamental features of this system are gapped excitations in the bulk6 and, remarkably, S = 1/2 edge states at the chain termini7,8,9, leading to a four-fold degenerate ground state that reflects the underlying symmetry-protected topological order10,11. Here, we use on-surface synthesis12 to fabricate one-dimensional spin chains that contain the S = 1 polycyclic aromatic hydrocarbon triangulene as the building block. Using scanning tunnelling microscopy and spectroscopy at 4.5 K, we probe length-dependent magnetic excitations at the atomic scale in both open-ended and cyclic spin chains, and directly observe gapped spin excitations and fractional edge states therein. Exact diagonalization calculations provide conclusive evidence that the spin chains are described by the S = 1 bilinear-biquadratic Hamiltonian in the Haldane symmetry-protected topological phase. Our results open a bottom-up approach to study strongly correlated phases in purely organic materials, with the potential for the realization of measurement-based quantum computation13.

CuI is a p-type transparent conductive semiconductor with unique optoelectronic properties, including wide band gap (3.1 eV), high hole mobility (>40 cm2 V−1 s−1 in bulk), and large room-temperature exciton binding energy (62 meV). The difficulty in epitaxy of CuI is the main obstacle for its application in advanced solid-state electronic devices. Herein, room-temperature heteroepitaxial growth of CuI on various substrates with well-defined in-plane epitaxial relations is realized by reactive sputtering technique. In such heteroepitaxial growth the formation of rotation domains is observed and hereby systematically investigated in accordance with existing theoretical study of domain-epitaxy. The controllable epitaxy of CuI thin films allows for the combination of p-type CuI with suitable n-type semiconductors with the purpose to fabricate epitaxial thin film heterojunctions. Such heterostructures have superior properties to structures without or with weakly ordered in-plane orientation. The obtained epitaxial thin film heterojunction of p-CuI(111)/n-ZnO(00.1) exhibits a high rectification up to 2 × 109 (±2 V), a 100-fold improvement compared to diodes with disordered interfaces. Also a low saturation current density down to 5 × 10−9 Acm−2 is formed. These results prove the great potential of epitaxial CuI as a promising p-type optoelectronic material.

In dieser Arbeit wurde an einer Auswahl von Biomolekülen gezeigt, dass die Rasterkraftmikroskopie, welche ursprünglich in physikalischen Labors entwickelt und zunächst auch nur dort eingesetzt wurde, ein äußerst wichtiges Instrument innerhalb der biologischen und medizinischen Forschung darstellt. Es wurde gezeigt, welche Ergebnisse bei der Visualisierung von Biomolekülen erwartet werden können. Die nach einer eigens entwickelten Methode präparierten Actin-Proben konnten hochaufgelöst abgebildet werden. Es zeigten sich neben freiliegenden Einzelfilamenten auch Bündel, welche sich aus Einzelfilamenten zusammensetzen. Es ist ein Modell erstellt worden, welches die unterschiedlichen Breiten der Bündel erklärt. Mit Hilfe der Mikrokontakt-Druck-Technik (microcontact printing, µCP) ist es gelungen, Proteinstrukturen in der Größe weniger Nanometer großflächig auf verschiedene Substrate zu übertragen. Ebenso wurde ein proteophober SAM (self assembling monolayer) gestempelt, mit dem Proteinadsorptionen gezielt unterbunden werden konnten. Das Adsorptionsverhalten des Proteins F1-ATPase auf Gold ist in situ untersucht worden. Parallel dazu wurde die Adsorption des Proteins in einer Mikroquarzwaage (quarz crystal microbalance, QCM) untersucht. Beide Techniken zeigen unterschiedliche Adsorptions-kinetiken, die Kombination beider Methoden lässt jedoch eine Abschätzung der wahren Adsorptionskinetik zu. Ein neuer Messmodus (constant damping mode) ist ob seiner Fähigkeit, biologische Objekte abbilden zu können, geprüft worden. Vergleichsmessungen im Kontakt-, Nichtkontakt- und Dämpfungs-Modus an einer Proteinmultischicht zeigten, dass im Nichtkontakt-Modus die höchste Auflösung erzielt werden kann. Ferner sind Magnetkraftmikroskop-Experimente an dem als Eisenspeicher bekannten Protein Ferritin durchgeführt worden. An einer Submonolage Ferritin auf Glimmer lässt sich jedoch mit dieser Technik kein magnetisches Signal messen.

L'objectif de cette thèse est de mener une étude fondamentale et expérimentale des propriétés physiques des cristaux liquides discotiques colonnaires (CLDCs) confinés dans des matrices poreuses templates hautement ordonnées à l'échelle nanométrique. Les molécules des CLDCs de forme plane, composées de noyaux polyaromatiques rigides entourées de chaînes aliphatiques flexibles fonctionnalisables, sont susceptibles de s'auto-assembler dans des colonnes favorisant ainsi le recouvrement de leurs orbitales électroniques π. Ce qui fait de ces matériaux de véritables candidats pour des applications dans l'électronique moléculaire et la photovoltaïque grâce à la possibilité de migration des porteurs de charges le long de leurs colonnes. Cependant, ces applications nécessitent une bonne maîtrise des paramètres influant sur les mécanismes d'alignement dans les phases colonnaires, sur de grands monodomaines, et de préférence à température ambiante. Une méthode très prometteuse visant à optimiser les longueurs de diffusion des porteurs de charge a été récemment proposée, basée sur la formation de nanofils orientés de CLDCs par auto-assemblage dans des matrices dites « templates » (de moulage). Toutefois, les propriétés structurales, dynamiques et les effets de confinement sur ces technologies restent aujourd'hui mal connus et morcelés et pourraient constituer un véritable verrou scientifique pour leur réalisation. Notre étude s'est portée sur les CLDCs commerciaux (HPT) et le Py4CEH (moins connus) qui sont confinés dans des alumines poreuses (AAO) et du silicium poreux (Sip) de diamètres de pores de quelques dizaines de nm. Les diagrammes de phase ont été d'abord étudiés par DSC puis les effets structuraux ont été approfondis grâce à la diffusion de neutrons. Dans les géométries confinées, nous observons une dépression des températures de transition, un élargissement du domaine de stabilité de la phase colonnaire et l'ouverture d'une hystérèse amplifiée dans les pores de plus petite taille. Un ordre orientationnel très élevé a été trouvé dans les phases colonnaires bulk par la RMN du solide et la structure des systèmes confinés colonnaires, dominée par une distribution radiale avec un ancrage homéotrope a été déterminée. La dynamique moléculaire a été étudiée par diffusion quasiélastique de neutrons. Elle est affectée par le confinement : la dynamique de grande amplitude est fortement ralentie, tandis que la dynamique rapide locale devient régie par une distribution très large de temps caractéristiques. / The aim of this work is to conduct fundamental and experimental studies of the physical properties of columnar discotic liquid crystal (CDLCs) confined in highly ordered porous templates at the nanoscale. CDLC molecule of planar shape, consist in rigid polyaromatic nuclei surrounded by functionalizable flexible aliphatic chains, and are capable of self-assembly in columns, thereby promoting overlap of their π electron orbitals. This makes these materials real candidates for applications in molecular electronics and photovoltaics due to the possibility of migration of the charge carriers along their columns. However, these applications require a good control of the parameters affecting the alignment mechanisms in the columnar phases of large single domains, preferably at room temperature. A very promising approach to optimize the diffusion lengths of charge carriers has been recently proposed, based on the formation of oriented CDLC nanowires by self-assembly in so-called "templates". However, structural and dynamical proprieties and confinement effects are still scarce, and could be a real scientific lock to their implementation. Our study is focused on commercial CDLCs (HPT) and Py4CEH which are confined in porous alumina and porous silicon membranes with pore diameters of c.a. tens of nm. The phase diagram was first studied by DSC and more deeply characterized by neutron scattering. In confined geometries, we observe a depression of the phase transition temperatures, a broadening of the columnar phase stability domain and an opening of hysteresis loops amplified by smaller pore size. A high orientational order was found in the bulk columnar phases by solid-state NMR, and the structure of confined columnar systems, dominated by a radial distribution with homeotropic anchoring was observed. The molecular dynamics was studied by quasielastic neutron scattering. It is affected by confinement: large lengthscale motions are massively slowed down, whereas the rapid and local dynamics becomes submitted to large distributions of correlation times.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von organischen selbstorganisierenden (Sub-)Monolagen (sog. SAM s) auf Siliziumoxid und deren Metallisierung. Die characteristischen Strukturen dieser Oberflächen sind mit der Rasterkraftmikroskopie (RKM) untersucht worden. Im präparativen Abschnitt wird die Abscheidung des SAM (Octadecyltrichlorosilan (OTS)) in einer Toluol/Wasserlösung auf eine Siliziumoxidoberfläche und deren anschließendem lateralen Erscheinungsbild (als Octadecylsiloxan ODS) beschrieben. Die Submonolagen des ODS auf dem Oxid erscheinen in den Topografiebildern des RKM s als eine Art Insellandschaft . Diese Modellstrukturen mit stark unterschiedlicher Oberflächeneigenschaften sind in dem methodischen Teil der Arbeit unter verschiedenen äußeren Bedingungen untersucht worden. Neben der Lateralkraft (Kontakt-Modus) und der Dämpfung (dyn. Nichtkontakt-Modus) stand hier die Kontrastentstehung der Topografie im RKM im Vordergrund. Im Gegensatz zu der theoretischen Länge des ODS-Moleküls wurde eine geringere Höhe des adsorbierten Moleküls gemessen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde untersucht, wie die ODS-(Unter)Struktur das Wachstum aufgedampfter Metallschichten beeinflusst. Die Ergebnisse der Evaporation mit Silber und Eisen ergaben zum Teil überraschende Ergebnisse. Frisch aufgedampfte Filme ließen die Unterstruktur anhand der Größe der Metallcluster erkennen, wobei das Silber auf ODS größere Cluster bildete als Eisen auf ODS. Nach einer Temperaturbehandlung unterscheiden sich die Systeme sehr stark, im Falle des Fe-Substrates invertierte sich der Kontrast der Topografie.