For organic electronic device applications materials are needed which display good charge carrier mobility, good processability, and stability towards oxygen and moisture. Alkynylated N-Heteroacenes fulfill many of these requirements. Substitution with alkyne groups as well as the introduction of the pyrazine subunit both inhibits oxidative degradation at sensitive position in the molecules. Additionally the trialkylsilylethynyl group aides in directing the packing motif as well as vastly increases the solubility over unsubstituted analogues. A requisite precursor in the synthesis of alkynylated N-heteroacenes is alkynylated acenothiadiazoles. These thiadiazoles display interesting photophysical properties and can be functionalized to produce a wide range of properties in closely related materials. The acenothiadiazoles themselves have potential applications as an N-type semiconductor. Optical gaps and calculated HOMO-LUMO gaps show that these molecules, when compared to known N-type materials, should be easily injected with electrons. Additionally the crystal packing of these compounds shows favorable π-orbital overlap which should provide excellent charge carrier mobilities.

For the investigation of single molecules on surfaces, STM under UHV and at low temperatures is the experimental technique of choice. Inelastic STM is, furthermore, able to manipulate the target structures and to induce chemical reactions or to control single molecule mechanics precisely. This thesis presents inelastic STM experiments on three different molecules as a tool for the electronic manipulation at a single molecule level. The first part of this work concerns the on-surface synthesis of dodecacene, the longest acene molecule obtained so far. Acenes as smallest zigzag edge graphene nanoribbons and model 1D electronic system play an important role in both experimental and theoretical science. Due to the high reactivity and low solubility of long acenes, precursor molecules were deoxygenated step wise in an on-surface reaction triggered by inelastic tunneling and through annealing at increasing temperatures. The molecular structure was proven by high resolution STM employing a CO functionalized tip. Additionally, the electronic states of the molecule were observed in the energy spectrum by STS and their spatial distribution was measured in dI/dV maps. The increase in the band gap compared to shorter acenes was explained by increasing contributions of multiradical states to the electronic states and higher orbitals participating in virtual tunneling states. In the second part of this work, the inelastic tunneling effect was used to investigate the conversion of electrical into mechanical energy in azulene derivatives carrying a large dipole moment. Metal organic complexes consisting of gold adatoms and pristine as well as cleaved molecules were formed upon evaporation of BCA. These structures were identified with the aid of theoretical calculations. Voltage pulse experiments at different tunneling resistance revealed that the electric field in combination with the charge distribution of the structures is the origin of the motion. Metal organic complexes of cleaved molecules could be moved on the surface in a controlled way and driven along an arbitrarily chosen parcours. The third part of this work concerns the investigation of DMBI-P molecules as rotors for molecular machines. Demethylation during evaporation was used to create an open radical bond stably anchoring the molecule on the surface. This was utilized for a step wise rotation where the direction is controlled by the voltage sign and chirality of the molecule on the surface. A C-H stretch mode was identified as its origin, serving as energy entry channel excited by inelastic tunneling electrons. Temperature dependent measurements and theoretical calculations yielded the potential barrier for the rotation. / Rastertunnelmikroskopie (RTM) unter UHV Bedingungen und bei tiefen Temperaturen ist die experimentelle Methode der Wahl zur Untersuchung von Einzelmolekülen auf Oberflächen. Darüber hinaus ist inelastische RTM in der Lage, die Zielstrukturen zu manipulieren und chemische Reaktionen auszulösen oder die Mechanik der einzelnen Moleküle präzise zu kontrollieren. Diese Dissertation behandelt inelastische RTM-Experimente an drei verschiedenen Molekülen als Werkzeug zur elektronischen Manipulation einzelner Moleküle. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Oberflächensynthese von Dodecacen, des längsten bisher erzeugten Acens. Als kleinste Graphen-Nanobänder mit Zickzack-Rand und Modell für eindimensionale elektronische Systeme spielen Acene sowohl in Theorie als auch Experimentalphysik eine wichtige Rolle. Aufgrund der hohen Reaktivität und geringen Löslichkeit langer Acene wurden Vorläufermoleküle sowohl durch inelastisches Tunneln als auch durch Heizen des Substrates schrittweise deoxygeniert. Die Molekülstruktur wurde durch hochaufgelöste RTM mittels einer CO-funktionalisierten Spitze nachgewiesen. Zusätzlich konnten die elektronischen Zustände des Moleküls im Energiespektrum identifiziert und ihre räumliche Verteilung in dI/dV-Karten festgehalten werden. Die Vergrößerung der Bandlücke im Vergleich zu kürzeren Acenen konnte hierbei durch zunehmenden Einfluss multiradikaler Zustände auf den Grundzustand des Moleküls und den Beitrag höherer Molekülorbitale zu den virtuellen Tunnelzuständen erklärt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die inelastische RTM dazu genutzt, um die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische mittels Azulen-Derivaten mit großem Dipolmoment zu untersuchen. Bei der Verdampfung bilden diese metallorganische Komplexe aus Goldatomen und sowohl intakten als auch gespaltenen Molekülen. Deren Strukturen wurden mit Hilfe von Berechnungen identifiziert. Experimente mit Spannungspulsen bei unterschiedlichen Tunnelwiderständen enthüllten das elektrische Feld in Kombination mit der Ladungsverteilung der Strukturen als Ursprung der Bewegung. Die metallorganischen Komplexe aus gespaltenen Molekülen konnten zielgerichtet auf der Oberfläche durch einen zufällig gewählten Parcours bewegt werden. Der dritte Teil dieser Arbeit behandelt die Untersuchung von DMBI-P Molekülen zur Verwendung als Rotoren für molekulare Maschinen. Eine Demethylierung während der Verdampfung erzeugt eine offene Bindung, die das Molekül stabil auf der Oberfläche verankert. Dies wurde für eine schrittweise Rotation genutzt, deren Richtung durch das Vorzeichen der Spannung und die Chiralität auf der Oberfläche kontrolliert werden konnte. Eine C-H Streckschwingung dient hierbei als Eintrittskanal der durch inelastische Elektronen bereitgestellten Energie. Temperaturabhängige Messungen und theoretische Berechnungen lieferten die Potentialbarriere für die Rotation.

Les semiconducteurs organiques (OSC) tels que les composés organiques photovoltaïques (OPVs), les diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) ou encore les transistors organiques à effet de champ (OFETs) constituent un domaine de recherche très attractif en raison de leur potentiel en tant que couches actives dans les dispositifs optoélectroniques. Les composés aromatiques polycycliques ainsi que les hétéroaromatiques sont considérés comme des matériaux prometteurs pour les OSC en raison de leurs conductivités électriques potentielles, de leurs propriétés optiques ainsi que de leurs assemblages géométriques. Ces deux systèmes et leurs propriétés photophysiques ont été étudiés dans les trois chapitres de cette thèse. Dans le premier chapitre, une étude sur un ensemble d'acènes linéaires, angulaires et condensés consistant en des liens hétéroatomes avec des agrégations uniques a été décrite et analysée. Les hétéroacènes N-fusionnés angulaires et π-étendus sont la classe principale étudiée dans le deuxième chapitre. Leurs synthèses sont basées sur la réaction de couplage de Suzuki-Miyaura et la réaction de Cadogan. Outre les acènes et les hétéroacènes N-fusionnés, les N-hétéroaromatiques ont fait l'objet d'une attention particulière dans le domaine de matériaux. L'un d'entre eux est la classe des quinazolines utilisées comme partie acceptrice d'électrons dans les structures push-pull pour le transfert de charge intramoléculaire (TCI). L'étude des relations entre les structures dérivées du motif quinazoline de type donneur d'électron-accepteur-donneur (D-A-D) et leurs propriétés de photoluminescence est le principal travail mentionné dans le troisième chapitre. / Organic semiconductors (OSCs) are a highly attractive research field due to their potentials as active layers in optoelectronic devices such as organic field-effect transistors (OFETs), organic photovoltaic (OPVs) and organic light emitting diodes (OLEDs). Polycyclic aromatic compounds as well as heteroaromatics are considered as promising materials for OSCs due to their semi conductivity properties, optical properties and geometric structures. The mentioned systems and their photophysical properties were investigated in three chapters of my thesis. In the first chapter, a study on a set of linear, angular and condensed acenes consisting of heteroatom linkages with unique aggregations was described and analyzed. The angular and π-extended N-fused heteroacenes are the main class studied in the second chapter. Their synthesis is based on the Suzuki-Miyaura coupling and the Cadogan reactions. Besides acenes and N-fused heteroacenes, N-heteroaromatics have gained attention in material area. One of them is the quinazoline class that is known as an electron withdrawing unit in push-pull structures for intramolecular charge transfer (ICT). The investigation of the relationships between the electron donor-acceptor-donor (D-A-D) quinazoline-based structures and their photoluminescence properties is the main work mentioned in the third chapter.

In memory of François Diederich. / Nanographenes (NGs) with open-shell character have gained intense attention due to their potential applications in future organic nanoelectronics and spintronics. Among them, NGs bearing a pair of parallel zigzag edges, such as acenes and periacenes (PAs) bestow unique (opto)electronic and magnetic properties owing to their localized non-bonding π-state. However, their reactive zigzag edges impart intrinsic instability, leading to the challenging synthesis. The recent development of synthetic strategies provided access to several π-extended PAs, which were considered unrealistic for decades. Notably, their laterally π-extended structures of zigzag-edged graphene nanoribbons was realised via on-surface synthesis. However, synthesis of π-extended PAs in solution is still in its infancy, more intensive scientific efforts are needed to surpass the existing challenges regarding stability and solubility. This Review provides an overview of recent progress in the synthesis and characterization of PAs through a bottom-up synthetic strategy, including on-surface and solution-phase chemistry. In addition, views on existing challenges and the future prospects are also provided.

Acenes are a class of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) with linearly fused benzene rings. They are widely considered as promising materials for organic and molecular electronics. However, larger molecules of this class possessing more than five rings are chemically extremely reactive and show a very low solubility. Hence, large acenes are difficult to handle, and the experimental data available to date is limited. The aim of this work is to show a very promising protocol of how acenes with different lengths can be stabilized and investigated on metallic surfaces. The experimental approach of on-surface synthesis is explored to generate the respective acenes directly on the metallic substrate via the reduction of suitable precursor molecules. High-resolution scanning probe microscopy (SPM) is employed at a temperature of 5 K to verify the chemical conversion at a single-molecule level. In the first part of this work, the on-surface synthesis of acenes is introduced via the example of tetracene (4-acene) formation on Cu(111). Precursors with 1,4-epoxy moieties preferably adsorb with their oxygen-rich site facing the substrate. Subsequently, they can be deoxygenated via annealing of the substrate or by single-molecule manipulation with the tip of the scanning probe microscope. In both cases, atomic force microscopy (AFM) measurements resolve the planar adsorption geometry of tetracene on the surface with atomic resolution. Based on these findings, scanning tunneling microscopy (STM) is employed to investigate the self-assembly patterns of on-surface generated anthracene (3-acene) and tetracene molecules after synthesis on Au(111). These measurements show intriguing organic nanostructures and supramolecular networks that can form at the metallic interface upon thermally-induced surface reactions. The second part of this thesis focuses on the electronic structure of acenes adsorbed on a metallic substrate. By applying the novel method of on-surface reduction, single and isolated hexacene (6-acene) molecules are investigated on Au(111). Scanning tunneling spectroscopy (STS) measurements indicate a weak interaction with the substrate and reveal five accessible molecular resonances at the organic-metal interface. The differential conductance maps with high spatial resolution at the respective resonant bias values compare well to elastic scattering quantum chemistry-based calculations. Finally, the experimental investigations of Br-substituted precursors show the stabilization of genuine unsubstituted heptacene (7-acene), as confirmed by imaging of the molecular structure via atomic-resolution STM. Accordingly, the precise characterization of this molecule via STS allows more insight into the electronic structure of adsorbed acenes with respect to their length. / Acene sind eine Klasse von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit linear kondensierten Benzolringen. Sie gelten weithin als vielversprechende Materialien für die organische und molekulare Elektronik. Jedoch sind die größeren Moleküle dieser Klasse mit mehr als fünf Ringen chemisch extrem reaktiv und zeigen eine sehr geringe Löslichkeit, daher gibt es bisher nur wenige experimentelle Untersuchungen ihrer Eigenschaften. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Acene mit unterschiedlichen Längen auf einer metallischen Oberfläche stabilisieren und untersuchen zu können. Dabei wird der experimentelle Ansatz der Oberflächensynthese verfolgt und die jeweiligen Acene durch Reduktion von geeigneten Präkursoren direkt an einer metallischen Grenzfläche hergestellt. Hochauflösende Rastersondenmikroskopie an einzelnen Molekülen bei einer Temperatur von 5K nimmt dabei eine Schlüsselrolle im Nachweis der chemischen Umwandlung auf der Oberfläche ein. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Oberflächensynthese von Acenen am Beispiel von Tetracen (4-Acen) auf Cu(111) eingeführt. Die Ausgangsmoleküle mit funktionellen Gruppen adsorbieren bevorzugt mit ihrer sauerstoffreichen Seite auf dem Substrat und können dort sowohl thermisch als auch mithilfe der Spitze des Rastersondenmikroskops umgewandelt werden. In beiden Fällen wird die planare Adsorptionsgeometrie von Tetracen auf der Oberfläche mittels Rasterkraftmikroskopie mit atomarer Auflösung abgebildet. Darauf aufbauend wird Rastertunnelmikroskopie genutzt, um die Selbstassemblierung von Anthracen (3-Acen) und Tetracen nach der jeweiligen Synthese auf Au(111) zu untersuchen. Die Messungen zeigen unerwartete organische Nanostrukturen und supramolekulare Netzwerke, welche sich an der metallischen Grenzfläche durch die induzierte Oberflächenreduktion bilden können. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den elektronischen Eigenschaften von adsorbierten Acenen. Durch die neuartige Methode der Oberflächenreduktion können einzelne Hexacene (6-Acen) auf Au(111) untersucht werden. Messungen basierend auf Rastertunnelspektroskopie geben Hinweise auf die schwache Wechselwirkung mit dem Substrat und zeigen fünf molekulare Eigenzustände, die im Experiment zugänglich sind. Die entsprechenden Abbildungen der differentiellen Leitfähigkeiten mit hoher Ortsauflösung sind in guter Übereinstimmung mit einer quantenmechanischen Modellierung. Schließlich wird die Stabilisierung von Heptacen (7-Acen) von Br-substituierten Präkursoren mittels Rastertunnelmikroskopie mit atomarer Auflösung gezeigt. Dadurch kann die elektronische Struktur von adsorbierten Acenen anhand ihrer Länge verglichen werden.

Acenes are a class of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) with linearly fused benzene rings. They are widely considered as promising materials for organic and molecular electronics. However, larger molecules of this class possessing more than five rings are chemically extremely reactive and show a very low solubility. Hence, large acenes are difficult to handle, and the experimental data available to date is limited. The aim of this work is to show a very promising protocol of how acenes with different lengths can be stabilized and investigated on metallic surfaces. The experimental approach of on-surface synthesis is explored to generate the respective acenes directly on the metallic substrate via the reduction of suitable precursor molecules. High-resolution scanning probe microscopy (SPM) is employed at a temperature of 5 K to verify the chemical conversion at a single-molecule level. In the first part of this work, the on-surface synthesis of acenes is introduced via the example of tetracene (4-acene) formation on Cu(111). Precursors with 1,4-epoxy moieties preferably adsorb with their oxygen-rich site facing the substrate. Subsequently, they can be deoxygenated via annealing of the substrate or by single-molecule manipulation with the tip of the scanning probe microscope. In both cases, atomic force microscopy (AFM) measurements resolve the planar adsorption geometry of tetracene on the surface with atomic resolution. Based on these findings, scanning tunneling microscopy (STM) is employed to investigate the self-assembly patterns of on-surface generated anthracene (3-acene) and tetracene molecules after synthesis on Au(111). These measurements show intriguing organic nanostructures and supramolecular networks that can form at the metallic interface upon thermally-induced surface reactions. The second part of this thesis focuses on the electronic structure of acenes adsorbed on a metallic substrate. By applying the novel method of on-surface reduction, single and isolated hexacene (6-acene) molecules are investigated on Au(111). Scanning tunneling spectroscopy (STS) measurements indicate a weak interaction with the substrate and reveal five accessible molecular resonances at the organic-metal interface. The differential conductance maps with high spatial resolution at the respective resonant bias values compare well to elastic scattering quantum chemistry-based calculations. Finally, the experimental investigations of Br-substituted precursors show the stabilization of genuine unsubstituted heptacene (7-acene), as confirmed by imaging of the molecular structure via atomic-resolution STM. Accordingly, the precise characterization of this molecule via STS allows more insight into the electronic structure of adsorbed acenes with respect to their length. / Acene sind eine Klasse von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen mit linear kondensierten Benzolringen. Sie gelten weithin als vielversprechende Materialien für die organische und molekulare Elektronik. Jedoch sind die größeren Moleküle dieser Klasse mit mehr als fünf Ringen chemisch extrem reaktiv und zeigen eine sehr geringe Löslichkeit, daher gibt es bisher nur wenige experimentelle Untersuchungen ihrer Eigenschaften. Das Ziel dieser Arbeit ist es, Acene mit unterschiedlichen Längen auf einer metallischen Oberfläche stabilisieren und untersuchen zu können. Dabei wird der experimentelle Ansatz der Oberflächensynthese verfolgt und die jeweiligen Acene durch Reduktion von geeigneten Präkursoren direkt an einer metallischen Grenzfläche hergestellt. Hochauflösende Rastersondenmikroskopie an einzelnen Molekülen bei einer Temperatur von 5K nimmt dabei eine Schlüsselrolle im Nachweis der chemischen Umwandlung auf der Oberfläche ein. Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Oberflächensynthese von Acenen am Beispiel von Tetracen (4-Acen) auf Cu(111) eingeführt. Die Ausgangsmoleküle mit funktionellen Gruppen adsorbieren bevorzugt mit ihrer sauerstoffreichen Seite auf dem Substrat und können dort sowohl thermisch als auch mithilfe der Spitze des Rastersondenmikroskops umgewandelt werden. In beiden Fällen wird die planare Adsorptionsgeometrie von Tetracen auf der Oberfläche mittels Rasterkraftmikroskopie mit atomarer Auflösung abgebildet. Darauf aufbauend wird Rastertunnelmikroskopie genutzt, um die Selbstassemblierung von Anthracen (3-Acen) und Tetracen nach der jeweiligen Synthese auf Au(111) zu untersuchen. Die Messungen zeigen unerwartete organische Nanostrukturen und supramolekulare Netzwerke, welche sich an der metallischen Grenzfläche durch die induzierte Oberflächenreduktion bilden können. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit den elektronischen Eigenschaften von adsorbierten Acenen. Durch die neuartige Methode der Oberflächenreduktion können einzelne Hexacene (6-Acen) auf Au(111) untersucht werden. Messungen basierend auf Rastertunnelspektroskopie geben Hinweise auf die schwache Wechselwirkung mit dem Substrat und zeigen fünf molekulare Eigenzustände, die im Experiment zugänglich sind. Die entsprechenden Abbildungen der differentiellen Leitfähigkeiten mit hoher Ortsauflösung sind in guter Übereinstimmung mit einer quantenmechanischen Modellierung. Schließlich wird die Stabilisierung von Heptacen (7-Acen) von Br-substituierten Präkursoren mittels Rastertunnelmikroskopie mit atomarer Auflösung gezeigt. Dadurch kann die elektronische Struktur von adsorbierten Acenen anhand ihrer Länge verglichen werden.