Multilayer epitaxial graphene has been shown to contain "massless Dirac fermions" and is believed to provide a possible route to industrial-scale graphene electronics. We used scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) in high magnetic fields to obtain local information on these fermions. A new STS technique was developed to directly measure graphene's energy-momentum relationship and resulted in the highest precision measurement of graphene's Dirac cone. STS spectra similar to ideal graphene were observed, but additional anomalies were also found. Extra peaks and an asymmetry between electron and hole states were shown to be caused by the work function difference between the Iridium STM tip and graphene. This tip effect was extracted using modeled potentials and performing a least square fit using degenerate perturbation theory on graphene's eigenstates solved in the symmetric gauge. Defects on graphene were then investigated and magnetic field effects were shown to be due to a mixture of potential effect from defects and the tip potential. New defect states were observed to localize around specific defects, and are believed to interact with the STM tip by Stark shifting in energy. This Stark shift gives a direct measurement of the capacitive coupling between the tip and graphene and agrees with the modeled results found when extracting the tip potential.

In this work, a Au(100) single crystal was used as substrate for organic molecular beam epitaxy. Highly ordered organic thin films of the molecules 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) and hexa-peri-hexabenzo-coronene (HBC) as well as organic-organic heterostructures on reconstructed Au(100) were prepared. The molecular arrangement was characterized in Scanning Tunneling Microscopy and Low Energy Electron Diffraction investigations. Scanning Tunneling Spectroscopy data were recorded on monolayer and submonolayer PTCDA films. Measurements on closed PTCDA layers at different fixed tip sample separations revealed a peak +0.95V. Other measurements performed consecutively on a PTCDA island and on uncovered Au(100) areas showed that this peak is indeed caused by the PTCDA molecules. Another set of consecutive measurements on herringbone and square phase PTCDA islands indicates that in the normalized differential conductivity the peak shape and peak position depend on the molecular arrangement. The STS data are compared to UPS and IPES results, already published. In the case of highly ordered films of HBC on Au(100) it was possible to derive the energetic positions of the HBC frontier orbitals and the energies of the molecular states next to these frontier orbitals from Tunneling Spectroscopy measurements. These measurements were performed using two different tip materials. The results are compared to UPS measurements, to theoretical calculations of the electronic conductance based on a combination of the Landauer transport formalism with a density-functional-parametrized tight-binding scheme within the Local Density Approximation (LDA) as well as semiempirical quantum chemistry calculations. / Für die hier dargestelleten Arbeiten wurde ein Au(100) Einkristall als Substrat für die organische Molekularstrahlepitaxie verwendet. Hochgeordnete organische Dünnschichten der Moleküle 3,4,9,10-Perylen-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Hexa-peri-hexabenzo-coronen (HBC) sowie organisch-organische Heteroschichten wurden auf der Au(100) Oberfläche abgeschieden. Die Struktur der Schichten wurde mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) untersucht. Tunnelspektroskopiedaten wurden für Monolagen sowie Submonolagen von PTCDA aufgenommen. Messungen an geschlossenen PTCDA Filmen zeigen für verschiedene Probe-Spitze-Abstände ein Maximum in der normierten differentiellen Leitfähigkeit bei +0.95V. Aufeinanderfolgende Messungen auf PTCDA-Inseln und unbedeckten Gebieten der Au(100) Oberfläche zeigen eindeutig, dass dieses Maximum auf die PTCDA Moleküle zurückzuführen ist. Weitere Messungen an PTCDA Inseln unterschiedlicher Struktur (Fischgrätenstruktur bzw. quadratische Struktur) belegen einen Zusammenhang zwischen der Anordnung der Moleküle und der Peakposition bzw. Peakform in der normierten differentiellen Leitfähigkeit. Die STS Daten werden mit UPS und IPES Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Im Falle hochgeordneter HBC Schichten auf Au(100) war es möglich, neben dem höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbital auch die energetische Position der jeweils nächsten Orbitale zu bestimmen. Diese Messungen wurden mit zwei unterschiedlichen Spitzenmaterialien durchgeführt. Die Ergebnisse für HBC auf Au(100) werden mit UPS Daten sowie mit theoretischen Rechnungen verglichen.

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.

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.

No description available.

No description available.

No description available.

Designing novel nanostructures which exploit the self-assembly capabilities of biomolecules yields a promising approach to control matter at the nanoscale. Here, the homochiral molecular self-assemblies of the methionine and tyrosine amino acids on the monocrystalline Ag(111) and Cu(111) surfaces are characterized by means of scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS), helium atom scattering (HAS), x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and near-edge x-ray absorption fine structure (NEXAFS) in ultrahigh vacuum (UHV). On Ag(111), methionine self-assembles into supramolecular chains following the <110> substrate axis, forming regular nanogratings with tunable periodicity. Within the nanowires, a zwitterionic dimerization scheme is revealed. STS shows that the biomolecular nanostructures act as tunable one-dimensional quantum resonators for the surface state electrons. Zero-dimensional electronic confinement is achieved by positioning single iron atoms in the molecular trenches. This shows a novel approach to control the dimensionality of surface state electrons. The nanogratings were exploited to steer the spontaneous one-dimensional ordering of cobalt and iron atoms. For T > 15 K, the metal species self-align into homogeneously distributed chains in between the biomolecular trenches with ~25 Å interatomic distace. For Co, the dynamics of the self-alignment was monitored, revealing a reduced mobility in comparison with isolated Co atoms on bare Ag(111). On Cu(111), the self-assembly of methionine is influenced by the substrate reactivity and its temperature during molecular deposition. For T < 273 K, the biomolecules assemble in anisotropic extended clusters oriented with a -10° rotation off the <110> substrate orientations, whereas above 283 K a regularly ordered 1D phase arises with a +10° rotation off these high-symmetry axis. XPS reveals a structural transformation triggered by a thermally activated deprotonation of the zwitterionic ammonium group. On Ag(111), tyrosine self-assembles above a critical temperature into linear structures primarily following the substrate crystalline symmetry. A zwitterionic non-covalent molecular dimerization is demonstrated, NEXAFS data providing evidence of a non-flat adsorption of the phenyl ring. This recalls the geometrical pattern of methionine on Ag(111) and supports a universal self-assembling scheme for amino acids on close-packed noble metal surfaces, the different mesoscopic ordering being determined by the side chain reactivity.

The two-dimensional phase of carbon known as graphene is actively being pursued as a primary material in future electronic devices. The goals of this thesis are to investigate the growth and electronic properties of epitaxial graphene on SiC, with a particular focus on nanostructured graphene. The first part of this thesis examines the kinetics of graphene growth on SiC(0001) and SiC(0001 ̅) by high-temperature sublimation of the substrate using a custom-built, ultra-high vacuum induction furnace. A first-principles kinetic theory of silicon sublimation and mass-transfer is developed to describe the functional dependence of the graphene growth rate on the furnace temperature and pressure. This theory can be used to calibrate other graphene growth furnaces which employ confinement controlled sublimation. The final chapter in this thesis involves a careful study of self-organized epitaxial graphene nanoribbons (GNRs) on SiC(0001). Scanning tunneling microscopy of the sidewall GNRs confirms that these self-organized nanostructures are susceptible to overgrowth onto nearby SiC terraces. Atomic-scale imaging of the overgrown sidewall GNRs detected local strained regions in the nanoribbon crystal lattice, with strain coefficients as high as 15%. Scanning tunneling spectroscopy (STS) of these strained regions demonstrate that the graphene electronic local density of states is strongly affected by distortions in the crystal lattice. Room temperature STS in regions with a large strain gradient found local energy gaps as high as 400 meV. Controllable, strain-induced quantum states in epitaxial graphene on SiC could be utilized in new electronic devices. / Per request of the author and the advisor, and with the approval of the graduate office, the Acknowledgements page was replaced with an errata.

No description available.