Die Ladungsinjektion (-extraktion) an einer Schnittstelle spielt in der organischen Elektronik eine entscheidende Rolle, da sie die Leistung des Bauelements stark beeinflusst. Eine der effizientesten Methoden zur Optimierung der Energiebarrieren für die Injektion ist die Modifikation der Austrittsarbeit der Elektroden. In dieser Dissertation untersuchen wir die Modifikation der Austrittsarbeit von Au(111) durch dithiol-terminiertes Polyethylenglykol (PEG(thiol)) sowie deren Abhängigkeit von der Anzahl der PEG-Wiederholungseinheiten. In beiden Fällen beobachten wir, dass die Austrittsarbeit des Au(111) durch eine Monoschicht PEG(thiol)-Moleküle reduziert wird. Unsere Berechnungen zeigen, dass diese Änderung der Austrittsarbeit hauptsächlich durch (i) die Ladungsumlagerung aufgrund der Chemisorption und (ii) das intrinsische Dipolmoment der PEG(thiol)-Monoschicht verursacht wird. Die Größe des letzteren Beitrags hängt spürbar von der Anzahl der Wiederholungseinheiten ab und bewirkt somit eine Variation in der Reduktion der Austrittsarbeit. Das oszillatorische Verhalten spiegelt einen ausgeprägten Odd-Even-Effekt wider. Dadurch kann die Austrittsarbeit der Metallelektrode unter Berücksichtigung des Odd-Even-Effekts gesteuert werden. Die Konvergenz der selbstkonsistenten Felditeration für unsere Systeme ist nicht garantiert. Um die Konvergenz zu verbessern, schlagen wir die Verwendung eines speziell auf die FP-LAPW-Methode zugeschnittenen Mischalgorithmus vor. In einem auf Ag(111) basierenden System zeigt sich, dass eine Struktur mit drei Leerstellen in der Substratschicht besonders stabil ist. Dabei ist eine kontinuierliche Abnahme der Austrittsarbeit des Ag(111) feststellbar. Ähnlich wie beim Au(111) manifestiert sich der Odd-Even-Effekt, der auf das Dipolmoment der Molekularschicht zurückzuführen ist. / Charge injection (extraction) at an interface plays a crucial role to organic electronics because this injection (extraction) heavily affects the device performance. One of the most efficient way to optimize energy barriers of the injection (extraction) is modifying the work function of electrodes. In this dissertation, we investigate the modification of work function of Au(111) and Ag(111) induced by the dithiol-terminated polyethylene glycol (PEG(thiol)) as well as a dependence of the work function change on different numbers of PEG repeat units. We find that the work function of the Au(111) is reduced by a monolayer of PEG(thiol) molecules. Overall, our calculations indicate that the work function change is mainly induced by (i) the charge rearrangement due to chemisorption and (ii) the intrinsic dipole moment of the PEG(thiol) monolayer. The magnitude of the latter contribution noticeably depends on the number of repeat units and, thus, causes a variation in the reduction of the work function. The oscillatory behavior reflects a pronounced odd-even effect. As a result, the work function of the metal electrode would be controlled by considering the odd-even effect. Unfortunately, the convergence of the self-consistent field iteration is not guaranteed for our investigated systems. To make the smooth convergence, a mixing algorithm, which is applicable to FP-LAPW method, is devised. We add the Kerker preconditioner as well as further improvements to Pulay’s direct inversion in the iterative subspace. Using this method, one can avoid charge sloshing and noise in the exchange-correlation potential. This method is also implemented in the exciting code. We find the decrease of the work function of the Ag(111) surface is always presented. Similar to the Au(111) case, the odd-even effect is revealed, arising from the dipole moment of the molecular layer.

Die vorliegende Habilitationsschrift bespricht aktuelle Ergebnisse zur Struktur und Reaktivität von Übergangsmetalloxidoberflächen. Es werden eingangs Grundlagen zur Berechnung von Eigenschaften von Oberflächen mittels Dichtefunktionaltheorie vorgestellt. Des Weiteren werden anhand von drei untersuchten Oxiden, nämlich dem Vanadium(III)-oxid, dem Cer(IV)-oxid, und dem Eisen(II,III)-oxid, der aktuelle Forschungsstand im Hinblick auf Oberflächenstruktur und Reaktivität von Phasengrenzen, wie z.B. der Phasengrenze zwischen Vanadium(V)-oxid und Cer(IV)-oxid und der Phasengrenze zwischen Wasser und Eisen(II,III)-oxid dargelegt. / The present habilitation thesis discusses results on structure and reactivity of transition metal oxide surfaces obtained using state-of-the-art density functional theory methods. First, fundamental issues of density functional theory are presented. Furthermore, the current state in research with respect to surface structure on one hand and reactivities of interfaces between different oxides like vanadium(III) and cerium(IV) oxide or water and iron(II,III) oxide on the other hand are developed.

Ein limitierender Faktor der Leitfähigkeit ist die Wechselwirkung der Ladungsträger mit polaren Phononenmoden; das resultierende Quasiteilchen wird als Polaron bezeichnet. Die Stärke der Elektron-Phonon (el-ph)-Wechselwirkung bestimmt die Stärke der Lokalisierung des Polarons, die z.B. die Charakteristik der Temperaturabhängigkeit der Mobliltät definiert. Wir fokussieren uns auf Metalloxide mit starker (el-ph)-Kopplung, bei der sich kleine Polaronen bilden. Die Dichtefunktionaltheorie wird häufig für zur Simulation von Polaronen verwendet. Jedoch treten hierbei zwei Schwierigkeiten auf: Die Sensitivität der berechneten Eigenschaften in Abhängigkeit der Fehler im Austausch-Korrelations (XC)-Funktional und der Effekt der endlichen Superzellgröße. Beide Probleme werden in dieser Arbeit untersucht. Die Polaroneneigenschaften werden auf einer modifizierten Potentialoberfläche (PES) berechnet. Durch Variierung des Anteils der exakten Austauschenergie im hybriden HSE-Funktional zeigen wir, dass das modifizierte PES-Modell deutlich die Abhängigkeit der Polaroneneigenschaften vom XC-Funktional reduziert. Basierend auf dem Potential der el-ph-Kopplung von Pekar leiten wir das korrekte elastische langreichweitige Verhalten des Polarons und darauf aufbauend eine Korrektur für den Fehler durch die endliche Superzellgröße her. Diese Erkenntnisse werden durch ausgiebige Tests an MgO und Rutil TiO2 überprüft. Die oben beschriebene Methode wird zur Untersuchung des Einflusses der Kristallstruktur auf die Bildung von Polaronen in Rutil und Anatas TiO2 und in der β- und κ-Phase von Ga2O3 angewendet. Während in Rutil nur kleine Elektronpolaronen stabil sind, finden wir in Anatas nur stabile Lochpolaronen. Hingegen existieren in beiden Phasen von Ga2O3 nur stabile Lochpolaronen, jedoch mit deutlich unterschiedlichen Bindungsenergien. Dadurch kann durch Verwendung unterschiedlicher Kristallstrukturen Eigenschaften wie Leitfähigkeit und Mobilität der Ladungsträger beeinflusst werden. / An important factor limiting the conductivity is the interaction of the charge carrier with polar phonon modes. Such a phonon-dressed charge carrier is called polaron. The strength of the electron-phonon (el-ph) interaction determines the localization of the polaron, which in turn e.g. defines its characteristic temperature dependence for the charge-carrier mobility. We focus on metal oxides with strong el-ph coupling, where small polarons are formed. Density-functional theory is often used for calculating properties of polarons. However, there are two challenges: sensitivity of the calculated properties to the errors in exchange-correlation (XC) treatment and finite-size effects in supercell calculations. In this work, we develop an approach that addresses both challenges. The polaron properties are obtained using a modified neutral potential-energy surface (PES). By changing the fraction of exact exchange in the hybrid HSE functional we show that the modified PES model significantly reduces the dependence of the polaron properties on the XC functional. Based on Pekar's potential for the long-range el-ph coupling, we derive the proper elastic long-range behavior of the polaron and a finite-size correction for the polaron properties. These findings are proofed by an extensively test for rock salt MgO and rutile TiO2. Finally, the approach is used to investigate the influence of the crystal structure on the polaron properties for rutile and anatase TiO2, as well as for the monoclinic β- and orthorhombic κ-phase of Ga2O3. While in rutile TiO2 only small electron polarons are stable, only small hole polarons are found in anatase. Further, small hole polarons exist in both Ga2O3 polymorphs but have significantly different binding energies. Thus, we conclude that growing crystals of the same material but with different structure can be used to manipulate conductivity and charge-carrier mobility.

Die Thermodynamik von Adsorptionsvorgängen wurde mittels quantenchemischer Methoden und der statistischen Thermodynamik untersucht. Eine neue rechentechnische Methode wird vorgestellt, die den Mangel an Genauigkeit vorhandener Methoden zur Untersuchung periodischer Systeme, wie z. B. der Dichte-Funktional-Theorie, behebt, und es ermöglicht thermodynamische Funktionen mit chemischer Genauigkeit zu bestimmen. Das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Protokoll besteht aus verschiedenen rechentechnischen Schritten, als da wären, eine Strukturoptimierung in Normalkoordinaten anstatt in kartesischen Koordinaten, eine numerische Berechnung der harmonischen Frequenzen durch Abtasten der Potentialenergieoberfläche entlang der Normalkoordinaten und anschließender anharmonischer Korrektur. Die Normalkoordinatenoptimierung garantiert eine korrekte Relaxation der Struktur mit ausschließlich reellen harmonischen Frequenzen. Die anharmonischen Korrekturen ermöglichen eine gute Beschreibung der Schwingungsstrukturen von Systemen die durch eine besonders Flache PES gekennzeichnet sind. Gleichzeitig, wird durch die Verwendung eines QM:QM-Hybridverfahrens zur Bestimmung des elektronischen Anteils der Adsorptionsenergie eine höhere Genauigkeit in der Bestimmung der Korrelationsenergie im Vergleich zu DFT garantiert. Der elektronische Anteil der Adsorptionsenergie, sowie der Schwingungsthermische Anteil werden abschließend kombiniert um einen genauen Wert der thermodynamischen Funktionen zu erhalten. / The thermodynamic of adsorption is investigated from the vibrational point of view using quantum chemical methods via statistical mechanics. Due to the lack of accuracy of the present available methods for investigating periodic systems, such as plane-wave density functional theory (DFT), a novel computational strategy is presented to overcome these limitations and bring the estimate of the thermodynamic functions within chemical accuracy limits. The protocol presented in this work consists of different computational steps, namely a structure optimization using normal mode coordinates instead of Cartesians, a numerical harmonic frequency calculation via sampling of the potential energy surface along the normal mode coordinates and the inclusion of anharmonic correction to the latter. The normal mode coordinate optimization ensures a proper relaxation of the structure and a reliable set of real harmonic frequencies while the anharmonic corrections account for a proper description of the vibrational structure of a system characterized by a very flat potential energy surface. Parallel to these calculations the electronic part of the adsorption energy is corrected using a hybrid QM:QM scheme to account the electronic correlations effects more accurately than DFT. The hybrid electronic adsorption energy and the vibrational thermal contributions obtained using anharmonic corrections are finally combined to get accurate estimate of the adsorption thermodynamic functions.

Photochrome Schalter (Photoschalter), wie Diarylethene (DAEs), Dihydropyrole (DHPs), Azobenzole und Spiropyrane sind für die Entwicklung von photoschaltbaren multifunktionalen Geräten interessant. Daher beschäftigt sich ein Großteil dieser Dissertation mit der Untersuchung der grundlegenden elektronischen Eigenschaften von Photoschaltern, u.a. Dipolmoment und Grenzniveaus. Ein besonderer Fokus liegt auf der dynamischen Anpassung der Energienieveaus zwischen den (in)organischen Halbleitern und den Photoschaltern mit externen Stimuli (z. B. Licht, Wärmeenergie). Zuerst werden die elektronischen Änderungen von DAE-Photoschaltern bei Lichtbeleuchtung durch direkt und inverse Photoemissionsspektroskopie und Dichtefunktionaltheorie nachgewiesen. Beispielsweise zeigt das höchste besetzte Molekülorbital (HOMO) von DAE-Dünnfilmen eine Differenz von 800 meV zwischen ihren beiden isomeren Zuständen. Mit diesen lichtgesteuerten Eigenschaften werden dann DAE-Moleküle verwendet, um die elektronische Struktur an Grenzflächen mit organischen und anorganischen Komponenten (z. B. P3HT, N2200, ZnO, ITO) zu modifizieren. Es wird gezeigt, dass DAE-Moleküle bei Lichtbeleuchtung die Energieniveauanordnung an der Grenzfläche um Hunderte von meV dynamisch und reversibel ändern können. Um Erkenntnisse über mehrere stimulationsinduzierte Schaltungen, z. B. Licht und Wärme, zu erhalten, wird hierfür ein Photoschalter Pyridyl-DHP (Py-DHP) vom T-Typ synthetisiert, da Py-DHP mit Licht in eine Richtung geschaltet und mit Wärmebehandlung zurückgeschaltet werden kann. Es hat sich herausgestellt, dass die schaltinduzierten elektronischen Änderungen durch ein Fermi-Level-Pinning aufgrund der Anwesenheit von molekularen Dipolen beeinflusst werden. Diese Studien bieten eine solide Grundlage für die Verwendung von Photoschaltern zur dynamischen Änderung der Energielevelanordnung und werden die Entwicklung verbesserter photoschaltbarer (opto-)elektronischer Geräte unterstützen. / Photochromic switches (photoswitches) such as diarylethenes (DAEs), dihydropyrenes (DHPs), azobenzenes and spiropyrans have attracted increasing interest for the development of photoswitchable multifunctional devices. The present work of this thesis is to investigate the fundamental electronic properties of photoswitches, i.e., dipole moment, and frontier levels. Particular focus is on dynamically tuning the frontier level alignment between the (in)organic semiconductors and photoswitches with external stimuli (e.g., light, heat). First, the electronic changes of DAE photoswitches upon light illumination are evidenced by direct and inverse photoemission spectroscopy together with density functional theory calculations, for example, the highest occupied molecular orbital (HOMO) of DAE thin films exhibits an 800 meV difference between their two isomeric states. With these light-controlled properties, DAE molecules are then employed to modify the electronic structure at interfaces with organic and inorganic components (e.g., P3HT, N2200, ZnO, ITO). It is proved that upon light illumination DAE molecules can indeed dynamically and reversibly switch the interface frontier level alignment by hundreds of meV. To obtain knowledge on multiple stimuli-induced switchings, e.g., light and heat, a T-type photoswitch pyridyl-DHP (Py-DHP) is synthesized for this purpose, since Py-DHP can be switched with light in one direction and switched back with heat treatment. It is found that, the switching-induced electronic changes are impacted by a Fermi level pinning due to the presence of molecular dipoles. These studies provide a solid basis for the use of photoswitches for dynamically manipulating energy level alignment, and will aid the development of improved photoswitchable (opto-)electronic devices.

Olfaction is an evolutionary old sensory system, which provides sophisticated access to information about our surroundings. In particular, detecting the volatile organic compounds (VOCs) emitted during natural and artificial processes can be used as characteristic fingerprints and help to identify their source. Inspired by the biological example, artificial olfaction aims at achieving similar performance and thus digitizing the sense of smell. Here, we present the development of machine learning-enabled graphene-based electronic olfaction sensors and propose an approach to assess their olfactory performance toward VOCs. Eleven transient kinetic features extracted from the sensing response profile are utilized as their fingerprint information. By mimicking the Sniffin' Sticks test, electronic olfaction sensors exhibit high olfactory performance toward four VOC odors (clove, eucalyptus, lemon, and rose scent) in terms of odor detection threshold, odor discrimination, and identification performance. Upon exposure to binary odor mixtures, response features of electronic olfaction sensors behave more similarly to that of an individual odor, with a tendency that correlates with their ratio, resembling the overshadowing effect in human olfactory perception. Molecular dynamics simulations and density functional theory calculations results reveal competing adsorption mechanisms between odorant molecules and sensing materials. This may facilitate electronic olfaction sensor applications in some emerging fields, such as environmental monitoring or public security.

PtSe2 is a promising 2D material for nanoelectromechanical sensing and photodetection in the infrared regime. One of its most compelling features is the facile synthesis at temperatures below 500 °C, which is compatible with current back-end-of-line semiconductor processing. However, this process generates polycrystalline thin films with nanoflake-like domains of 5–100 nm size. To investigate the lateral quantum confinement effect in this size regime, a deep neural network is trained to obtain an interatomic potential at density functional theory accuracy and it is used to model ribbons, surfaces, nanoflakes, and nanoplatelets of PtSe2 with lateral widths between 5 and 15 nm. Which edge terminations are the most stable are determined and evidence is found that the electrical conductivity is localized on the edges for lateral sizes below 10 nm. This suggests that the transport channels in thin films of PtSe2 might be dominated by networks of edges, instead of transport through the layers themselves.

In der vorliegenden Arbeit wird die Korrektur weitreichender Dispersionswechselwirkungen fuer Dichtefunktionaltheorie fuer Rechnungen unter Anwendung periodischer Randbedingungen erweitert. Am Beispiel des Graphit wird der Einfluss der Dispersionskorrektur auf Strukturparameter und Energien gezeigt. Die berechneten Werte fuer Schichtabstand und Wechselwirkungsenergie stimmen sehr gut mit experimentell bestimmten Daten ueberein. Anhand von Clusterstudien wird gezeigt, dass die Dispersionskorrektur nur sehr langsam mit der Systemgroesse konvergiert. Die genaue Beschreibung der Dispersionswechselwirkungen zwischen Graphitschichten mit der PBE+D-Methode ist nur bei Anwendung periodischer Randbedingungen oder durch eingebettete Clustermodelle moeglich. Der Vergleich der PBE+D- mit der genauen, aber sehr aufwendigen [MP2:PBE + delta-CCSD(T)]-Methode zeigt, dass die strukturellen Unterschiede zwischen beiden Methoden gering sind. Die berechneten Reaktionsenergien unterscheiden sich hingegen deutlich. Die neu entwickelte, effiziente [PBE+D + delta-MP2 + delta-CCSD(T)]-Methode ergaenzt die PBE+D-Energie um zwei Korrekturterme. Der erste Term, die delta-MP2-Korrektur, behebt die Ueberstabilisierung polarer Strukturen (PBE) mit einer MP2-Rechnung am Basissatzlimit. Der zweite Term ueberprueft die delta-MP2-Korrektur durch eine CCSD(T)-Rechnung fuer einen kleinen Cluster. Die [PBE+D + delta-MP2 + delta-CCSD(T)]-Methode wird fuer die Reaktion von C4H8-Kohlenwasserstoffen mit H-Ferrierit angewendet. In der Zeolithpore wurden pi-Komplexe, Butylkationen und Oberflaechenalkoxide als Intermediate identifiziert. Die Isomerisierung von Butenen in der H-Ferrierit-Pore wird mit der Umlagerung linearer Butylkationen in der Gasphase verglichen. Der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist in beiden Faellen die Bildung des tert-Butylkations aus einem methylverbrueckten Butylkation. Die CCSD(T)-Methode ist zur Bestimmung genauer Energieprofile erforderlich. / In this work, the long-range dispersion correction for density functional theory is extended to periodic boundary conditions. The influence of the dispersion correction on energy and structural parameters is shown for graphite. The calculated values of the interlayer distance and the interaction energy are in good agreement with experimental ones. By a series of cluster calculations it is shown, that the dispersion correction converges very slowly with respect to the system size. The accurate description of the dispersion interaction between graphite layers requires the usage of PBE+D method applying periodic boundary conditions or embedded cluster models. For structural parameters, the PBE+D methods compares well with the accurate but computationally very demanding [MP2:PBE+CCSD(T)] method. However, the calculated reaction energies differ remarkably. The newly developed, efficient [PBE+D + MP2 + CCSD(T)] method extends the PBE+D energy by two correction terms. The first one, the MP2 correction, rectifies the over stabilization of polar structures (PBE) by a MP2 calculation at the basis set limit. The second term verifies the MP2 correction by a CCSD(T) calculation for a small cluster model. The [PBE+D + MP2 + CCSD(T)] method is applied for the reaction of C4H8 hydro carbons witr the zeolite Ferrierite. Within the pore of a zeolite, pi complexes, butyl cations and surface alkoxides are identified as minima on the potential energy surface. The isomerization of butenes is compared to the rearrangement of linear butyl cations in the gas phase. In both cases, the rate determining step is the formation of the tertial butyl cation from a methyl bridged cation. The CCSD(T) method is for the determination of accurate energy profiles required.

Diese Dissertation befasst sich mit der Modellierung von Spin- und Oxidationszuständen stark korrelierter Übergangsmetallkomplexe der ersten Reihe. Verschiedene ab initio-Methoden zur Modellierung der Elektronenkorrelation wurden verwendet, basierend auf einer oder mehreren Referenzwellenfunktionen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den spektroskopischen Eigenschaften von offenschaligen Molekülenliegt. Die Arbeit untersucht die Stärken und Grenzen theoretischer Parameter und Effekte, wie der Elektronenkorrelation, Multiplett-Effekte sowie Größe und Natur des aktiven Raumes. Darüber hinaus setzt sich die Studie mit entscheidenden physikalischen und chemischen Konzepten wie Kovalenz, thermodynamische Stabilität, Ligandenfeldeffekte, magnetische Austauschwechselwirkungen und der Bestimmung von Spin- und Oxidationszuständen molekularer Systeme. / This dissertation delves into the challenges and successes encountered while modeling spin and oxidation states of strongly correlated first-row transition metal complexes using various single- and multireference quantum chemical methods with a focus on X-ray spectroscopy. It thoroughly examines the strengths and limitations of theoretical approaches, addressing electron correlation, multiplet effects, active space size and nature, dynamic electron correlation corrections, truncated configuration interaction (CI) techniques, and Density Functional Theory (DFT). Furthermore, the study explores pivotal physical and chemical factors such as covalency, stability, ligand-field effects, magnetic exchange interactions, and the determination of spin and oxidation states within molecular systems.

Geträgerte Vanadiumoxidkatalysatoren sind wegen ihrer Vielseitigkeit bei Oxidationsreaktionen von großem Interesse. Der Schlüssel zum Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen ist ein weitreichendes Verständnis in die mikroskopische Struktur der Vanadiumoxide unter verschiedenen Bedingungen sowie die Art der Bindung an die Oberfläche des Trägers. In der vorliegenden Arbeit werden die Systeme Vanadiumoxid/Aluminiumoxid und Vanadiumoxid/Siliziumoxid mittels Dichtefunktionaltheorie in Kombination mit statistischer Thermodynamik untersucht. Als Modelle für Aluminiumoxid werden die stabile alpha-Al2O3 bzw. die metastabile kappa-Al2O3 Phase verwendet und ein ultradünner, epitaxialer SiO2 Film auf Mo(112) wird als Siliziumoxidsupport verwendet. Dessen einzigartige atomare Struktur, genauso wie diejenige eindimensionaler Silizumoxid-Streifen, die mit dem Film auf der Oberfläche koexistieren, wird durch kombinierte experimentelle und theoretische Untersuchungen aufgeklärt. Die Bildung einer neuen, "sauerstoffreichen" Phase des SiO2/Mo(112) Films wird vorhergesagt und deren Existenz anschließend experimentell gezeigt. Die Zielsetzung der Arbeit ist es zu Verstehen, wie Vanadiumoxidaggregate mit der Oberfläche verknüpft sind und den Einfluß des oxidischen Trägers auf die geometrische und elektronische Struktur der geträgerten Spezies zu untersuchen. Der Schwerpunkt liegt auf der Suche nach einer Korrelation von Struktureigenschaften mit der katalytischen Aktivität von Reaktionen die nach dem Mars-van Krevelen Mechanismus ablaufen. Hierzu wird die Energie für die Bildung eines Sauerstoffdefekts als Indikator für die Leistungsfähigkeit des Katalysators verwendet. Der Einfluß der Trägerstruktur auf die Schwingungsmoden des Interfacebereichs wird untersucht, um den Ursprung von charakteristischen Banden im experimentellen Spektrum von Vanadiumoxid/Siliziumoxid und Vanadiumoxid/Aluminiumoxid zu ergründen. / Supported vanadium oxide catalysts are of high interest because of their potential in a wide variety of oxidation reactions. A key step to fully understand the catalytic mechanism is a profound knowledge of the microscopic structure of the active vanadia species under various conditions and the way they are anchored to the support material. In the present work, density functional theory in combination with statistical thermodynamics is employed to investigate two vanadia-based systems, i.e., vanadia/alumina and vanadia/silica. The alumina support is modeled using the stable alpha-Al2O3 and the metastable kappa-Al2O3 phases, whereas ultrathin SiO2 film epitaxially grown on Mo(112) is employed as a silica support. The unique atomic structure of the latter as well as that of the one-dimensional silica stripes, found to coexist with the film in a perfect registry, are precisely determined based on combined theoretical and experimental studies. Moreover, the formation of a new, "O-rich" phase of the SiO2/Mo(112) film is predicted, whose existence is subsequently experimentally confirmed. The aim of the thesis is to provide an understanding on how vanadia aggregates anchor to the surface and to examine the role of the oxide support on the molecular and electronic structure of the stable VOx species. The efforts have focused on finding correlations between structural properties and catalytic activity in reactions proceeding via the Mars-van Krevelen mechanism. In accord therewith, the formation energy of a lattice oxygen defect is used as an indicator of catalytic performance. The influence of the support structure on the interface vibrational modes is analyzed in an attempt to shed light on the origin of the characteristic bands observed in the experimental spectra of vanadia/alumina and vanadia/silica model catalysts.