Der Erste dieser Arbeit befasst sich mit der STM Untersuchung einer Grenzschicht in umgebender Atmosphäre, welche sich durch die Adsorption von Graphen auf einer Glimmeroberfläche ausbildet. Durch die umgebene Luftfeuchtigkeit interkalieren Wassermoleküle in diese Grenzschicht. Durch die Variation der relativen Luftfeuchtigkeit gibt diese Wasser ab bzw. nimmt auf, und es manifestieren sich sternförmig wachsende Fraktale, in denen Graphen etwa um den Durchmesser eines Wassermoleküls an Höhe absinkt. Die STM Untersuchung, welche primär sensitiv auf die Zustandsdichte von Graphen reagiert, zeigte, dass sich anders als in den SFM Untersuchungen, zusätzliche signifikante Höhenänderungen von Graphen innerhalb der Fraktale bildeten. Dieses deutet auf eine Wasserschicht hin, welche Domänen mit signifikant unterscheidbaren Polarisationsrichtungen aufweisen, welche die Zustandsdichte von Graphen verändern kann. Dies ist aber gleichbedeutend mit der Annahme, dass sich in jener Grenzschicht mindestens zwei oder mehr lagen Wasser bilden müssen. Der zweiten Teil befasst sich mit der STM Untersuchung einer funktionalisierten Oberfläche die charakterisiert ist durch eine leitende Oberfläche (Graphen und HOPG) adsorbierten funktionalisierte Dyade an einer Fest-Flüssig Grenzfläche. Diese Dyade besteht im Wesentlichen aus einem Zink-Tetraphenylporphyrin (ZnTPP) und mit diesem über einem flexiblen Arm verbundenen Spiropyranderivat. Letztere ändert seine Konformation durch die Einstrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge, womit sich das Dipolmoment stark ändert. Es zeigte sich, dass das Schaltverhalten auf einen Graphen mit dem Schaltverhalten einer Dyade in Lösung vergleichbar ist. Dieses lässt den Schluss zu, dass das Schalteigenschaften einer einzelnen Dyade auf das adsorbierte Kollektiv übertragen werden kann, da es keine signifikanten beeinflussenden Wechselwirkungen durch die leitende Oberfläche und der benachbarten Dyaden auswirkte. / The first of this two-part work deals with the STM investigation of an interface in the surrounding natural atmosphere, which is formed by the adsorption of the conductive graphene onto the mica surface. In this interface, water molecules may intercalate by the surrounding humidity. By varying the relative humidity, the interface is rewetted, respectively, dewetted and it manifests itself in a star shape growing fractals, where the height of graphene is decreased by approximately the diameter of one water molecule. The STM investigation - which is primarily sensitive to the density of states of graphene - shows that additional significant changes in the height of graphene are formed within the fractal, unlike in the SFM investigations. This suggests that there is a water layer by which the density of graphene is differently affected by domains with significant distinguishable polarisation alignments. However, this is equivalent to the assumption that there are two or more water layers exist within the interface. The second part of this work deals with the STM investigation of a functionalized surface characterised by a functionalized dyad adsorbed onto a conductive surface (graphene and HOPG) at a solid-liquid interface. This dyad essentially comprises a zinc-tetraphenylporphyrin (ZnTPP) and is connected with a spiropyran derivative via a flexible linker. This changes its conformation through irradiation with light with a suitable wavelength, by which the dipole moment is also strongly changed. It was found that the switching behaviour of a graphene-based conductive surface is comparable with the switching behaviour of a dyad, which itself can move freely in solution. This leads to the conclusion that the switching properties of a single dyad can be transmitted to its collective because it affected no significant influence interactions by the conductive surface and the adjacent dyads.

In dieser Arbeit wurde die Austrittsarbeit von Graphen, einer vielversprechenden Elektrodenmaterial für (opto)- elektronische Bauteile, durch die Adsorption von luftbeständigen konjugierten organischen Molekülen (KOMs), welche als Akzeptoren und Donatoren fungieren, modifiziert. Die Eigenschaften der Valenz- und Rumpfniveaus sowie die Austrittsarbeitsmodifikation der vakuumverdampften KOMs wurden mit Photoelektronenspektroskopie (PES) untersucht, während die Orientierung der KOMs mit Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) aufgeklärt wurde. Die Austrittsarbeit von Graphen auf Quartz (G/Qu) lässt sich auf maximal 5.7 eV und minimal 3 eV anpassen, welches aus einem Ladungstransfer direkt an der Grenzfläche resultiert, der keine Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen der molekularen Monolage und dem Graphen beinhaltet. Zudem, für den starken molekularen Akzeptor Hexaazatriphenylen-Hexacarbonitril (HATCN) verläuft die Austrittsarbeitserhöhung über eine Orientierungsänderung der Moleküle im Monolagenbereich. Für alle anderen auf G/Qu abgeschiedenen Akzeptoren (Donatoren) wurde beobachtet, dass der Ladungstransfer eine positive (negative) Oberflächen-ladungsdotierung der Graphen-Schicht bewirkt, welches in einer Austrittsarbeitserhöhung (-erniedrigung) resultiert. Letztere ließ sich jeweils in zwei Beiträge zerlegen: (a) Verschiebung des Vakuumniveaus durch einen Grenzflächendipol an der KOM/Graphen-Grenzfläche und (b) Verschiebung des Fermi-Niveaus durch Oberflächenladungstransferdotierung der Graphen-Schicht. Weiterhin wurde der molekulare Akzeptor Hexafluoro-tetracyano napththoquinodimethan (F6TCNNQ) sowohl auf G/Qu als auch auf Graphen auf Kupfer abgeschieden, wobei sich herausstellte, dass der Ladungstransfer im ersteren Fall vom Graphen stammt, und im letzteren von der Kupferunterlage. Die Ergebnisse werden von Dichtefunktionaltheorieberechnungen gestützt und tragen erheblich zum Verständnis von Graphen/KOM-Grenzflächen bei. / In this thesis, the work function of graphene, a promising electrode for (opto)electronic devices was modified by adsorption of air-stable conjugated organic molecules (COMs) that act as strong molecular acceptors or donors. The valence and core level properties, together with the work function modification of the vacuum-deposited COMs on graphene were investigated with photoelectron spectroscopy (PES), while the orientation of COMs was studied with near edge X-ray fine structure spectroscopy (NEXAFS). The work function of graphene-on-quartz (G/Qu) is modified up to 5.7 eV and down to 3 eV as a result of charge transfer (CT) occurring right at the interface, which does not invoke covalent bond formation between the molecular monolayer and the graphene. In addition to the CT, in the case of the molecular acceptor hexaazatriphenylene-hexacarbonitrile (HATCN), the work function increase proceeded via a density-dependent re-orientation of the molecule in the monolayer regime. For all the other tested molecular acceptors (donors) deposited on graphene-on-quartz, the CT was observed to induce positive (negative) surface CT doping of the graphene layer, leading to a work function increase (decrease) and was disentangled into two contributions: (a) shift of the Vacuum level due to the formation of an interface dipole at the COM/graphene interface and (b) shift of the Fermi level of the graphene due to the surface CT doping. Additionally, the molecular acceptor hexafluoro-tetracyanonapththoquinodimethane (F6TCNNQ) was deposited on both G/Qu and graphene-on-copper, where the CT was found to originate from graphene and copper support respectively. The findings were supported by density functional theory calculations and significantly add to a fundamental understanding of graphene/COM interfaces.

Im Laufe der Verkleinerungen integrierter Schaltungen ergab sich die Notwendigkeit der alternativen dielektrischen Materialen. Hohe Polarisierbarkeiten in diesen dielektrischen Dünnfilmen treten erst in hoch direktionalen kristallinen Phasen auf. Aufgrund der erschwerten Integrierbarkeit von epitaktischen, einkristallinen Oxidfilmen können nur poly-, beziehungsweise nanokristalle Filme eingesetzt werden. Diese sind jedoch mit hohen Leckströmen behaftet. Weil die Information in einer DRAM-Zelle als Ladung in einem Kondensator gespeichert wird ist der Verlust dieser Ladung durch Leckströme die Ursache für Informationsverluste. Die Frequenz der notwendigen Auffrischungszyklen einer DRAM-Zelle wird direkt durch die Leckströme bestimmt. Voraussetzungen für die Entwicklung neuer dielektrischer Materialien ist das Verständnis der zugrunde liegenden Ladungsträgertransportmechanismen und ein Verständnis der strukturellen Schichteigenschaften, welche zu diesen Leckströmen führen. Conductive atomic force Microscopy ist ein Rastersondenmethode mit der strukturelle Eigenschaften mit lokaler elektrischer Leitfähigkeit korreliert wird. Mit dieser Methode wurde in einer vergleichenden Studie die räumlichen Leckstromverteilungen untersucht. Und es wurde gezeigt, dass es genügt eine nicht geschlossene Zwischenschicht Aluminiumoxid in eine Zirkoniumdioxidschicht zu integrieren um die Leckströme signifikant zu reduzieren während eine ausreichend hohe Kapazität erhalten bleibt. Darüberhinaus wurde ein CAFM modifiziert und benutzt um das Schaltverhalten eines Siliziumnanodrahtschottkybarrierenfeleffektransistor in Abhängigkeit der Spitzenposition zu untersuchen. Es konnte experimentell bestätigt werden das die Schottkybarrieren den Ladungstransport in diesen Bauteilen kontrollieren. Darüber hinaus wurde ein proof-of-concept für eine umprogrammierbaren nichtflüchtigen Speicher, der auf Ladungsakkumulation und der resultierenden Bandverbiegung an den Schottkybarrieren basiert, gezeigt. / In the course of the ongoing downscaling of integrated circuits the need for alternative dielectric materials has arisen. The polarizability of these dielectric thin-films is highest in highly directional crystalline phases. Since epitaxial single crystalline oxide films are very difficult to integrate into the complex DRAM fabrication process, poly- or nanocrystalline thin-films must be used. However these films are prone to very high leakage currents. Since the information is stored as charge on a capacitor in the DRAM cell, the loss of this charge through leakage currents is the origin of information loss. The rate of the necessary refresh cycles is directly determined by these leakage currents. A fundamental understanding of the underlying charge carrier transport mechanisms and an understanding of the structural film properties leading to such leakage currents are essential to the development of new, dielectric thin-film materials. Conductive Atomic Force Microscopy (CAFM) is a scanning probe based technique which correlates structural film properties with local electrical conductivity. This method was used to examine the spatial distribution of leakage currents in a comparative study. I was shown that it is sufficient to include an unclosed interlayer of Aluminium oxide into a Zirconium dioxide film to significantly reduce leakage currents while maintaining a sufficiently high capacitance. Moreover, a CAFM was modified and used to examine the switching behavior of a silicon nanowire Schottky barrier field effect transistors in dependence of the probe position. It was proven experimentally that Schottky barriers control the charge carrier transport in these devices. In addition, a proof of concept for a reprogrammable nonvolatile memory device based on charge accumulation and band bending at the Schottky barriers was shown.