In elektrochemischen Zellen vollziehen sich die Haupteaktionen in der Regel an Oberflächen von Elektroden und Katalysatoren und deren Elektrolytgrenzflächen, wodurch Änderungen dort die Effizienz der Zelle stark beeinflussen können. Diese Arbeit behandelt elementare Prozesse an solchen Ober- und Grenzflächen, die die Bandstruktur und damit möglicherweise auch die Reaktivität des Systems verändern. Mit Zwei-Photonen-Photoelektronenspektroskopie (2PPE) untersuche ich solche Prozesse in drei Modellsystemen für Elektrodenoberflächen beziehungsweise Elektrolyt/Elektroden-Grenzflächen: ZnO wird als Material für die photoelektrochemische Wasserspaltung diskutiert. In zeitaufgelösten 2PPE-Spektren beobachte ich Oszillationen des Dipols der (10-10)-Oberfläche, die bislang unbekannten kohärenten Oberflächenphononen zuzuordnen sind. Ich diskutiere ihre Erzeugung und entwickle eine Methode, um ultraschnelle Änderungen des Oberflächendipols anhand der Intensität des Sekundärelektronenschwanzes eines 2PPE Spektrums zu quantifizieren. An der D2O/ZnO(10-10)-Grenzfläche untersuche ich mehrere Effekte der Wasseradsorption, wie Veränderungen der Austrittsarbeit und der kohärenten Oberflächenphononen. Anders als in früheren Studien stelle ich keine Oberflächenmetallisierung durch Wasseradsorption fest. Auch gibt es keinen klaren Hinweis auf Elektronensolvatisierung, wie sie an Wasser/Metall-Grenzflächen zu beobachten ist. An der DMSO/Cu(111)-Grenzfläche, einem Modellsystem der Elektrolyt/Kathoden-Grenzfläche in Metall-Luft-Batterien, bestimme ich die elementaren Schritte der Sauerstoffreduktion. Im DMSO werden kleine Polaronen ultraschnell gebildet und zum Teil in Oberflächendefekten eingefangen. Die Lebensdauer dieser gefangenen Elektronen kann mehrere Sekunden betragen. Sie reagieren mit co-adsorbiertem O2, nachdem es in das DMSO diffundiert ist, zu O2-. Die Modellierung der Diffusion liefert eine Abschätzung des Elektroden-Reaktanten-Abstandes für Elektronentransfer in DMSO. / In electrochemical cells, the main reactions usually proceed at the surfaces of electrodes and catalysts and their interfaces with the electrolyte. Hence, changes there can have a huge impact on the efficiency of the cell. This thesis concerns elementary processes at such surfaces and interfaces, which affect the electronic band structure and, thus, potentially the reactivity of the surface. Using two-photon photoelectron spectroscopy (2PPE), I investigate such processes in three model systems for electrode surfaces and electrolyte/electrode interfaces: ZnO is discussed as material for photoelectrochemical water splitting. In time-resolved 2PPE spectra, I observe oscillations of the (10-10) surface dipole, which are assigned to previously unknown coherent surface phonons. I discuss their generation and develop a method to quantify ultrafast surface dipole changes from the intensity of the secondary electron tail of a 2PPE spectrum. At the D2O/ZnO(10-10) interface, I examine several effects of water adsorption, such as changes of the work function and the coherent surface phonons. Unlike in a previous study, I do not observe surface metallization upon water adsorption. Moreover, there is no clear indication of electron solvation as found at water/metal interfaces. At the DMSO/Cu(111) interface, a model system for the electrolyte/cathode interface in metal-air batteries, I determine the elementary steps of superoxide formation. In the DMSO, small polarons are formed and partly trapped in surface defects on an ultrafast time scale. These trapped electrons can persist for several seconds and react with co-adsorbed O2 to from O2-. Modelling the diffusion yields estimates for the electrode-reactant distance for electron transfer in DMSO.

Das Verhalten von durch Graphen oder Graphenoxid (GO) begrenzten Molekülen hat sich, bedingt durch die bemerkenswerten strukturellen und optischen Eigenschaften dieser quasi-zweidimensionalen Materialien, als vielversprechendes Forschungsfeld erwiesen. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf das Hydrationsverhalten von GO und das Verhalten kleiner, von Graphen begrenzter Moleküle. In dieser Arbeit wurde auf Rasterkraftmikroskopie (SFM) zurückgegriffen, um die GO-Hydration zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen ein graduelles bzw. stufenweises Ansteigen des durchschnittlichen Schichtabstands für relative Luftfeuchtigkeiten (RH) unter halb von 80%, beziehungsweise in flüssigem Wasser. Diese experimentellen Beobachtungen stimmen mit den XRD an vielschichtigem GO in der Literatur überein. Die hier gezeigten Ergebnisse lassen jedoch den angenommenen Einlagerungseffekt, bei der Hydrierung von GO bei geringer RH, außen vor. Stattdessen wird die allmähliche Ausdehnung der kontinuierlichen Einlagerung von Wassermolekülen in den einzelnen GO-Schichten zugeschrieben, während die stufenweise Ausdehnung im komplett in Wasser getauchten Zustand auf das Eindringen einer ganzen Wassermonolage zurückgeführt wird. Andererseits könnte die Grenzfläche zwischen Graphen und dem Substrat ein begrenztes elektrisches Feld aufweisen, das ein weit verbreitetes, auf Ladungstransfer an Grenzflächen zurückzuführendes Phänomen darstellt. Die vorliegende Arbeit behandelt dieses Thema unter Nutzung von Rhodamin 6G (R6G) als Molekül zwischen Graphen und Glimmer, die es begrenzen. Eine Rot-Verschiebung der R6G-Maxima bei geringer RH wird sowohl auf elektrische Felder, die sich auf die Moleküle auswirken, als auch auf mechanische Deformationen der R6G-Struktur an der Grenzschicht zurückgeführt. Die Stärke des elektrischen Feldes wird anhand des Graphen-Raman-Spektrums auf etwa 1 V/nm abgeschätzt. / The behavior of molecules confined by graphene or graphene oxide (GO) has proven to be a promising area of research owing to the remarkable structural and optical properties of these quasi two-dimensional materials. This thesis focuses on the hydration behavior of GO and the behavior of small molecules confined by graphene. In this work, scanning force microscopy (SFM) has been employed to investigate the hydration of GO. The results show a gradual and a step-like increase of the average interlayer distance for relative humidities (RH) below 80% and in liquid water, respectively. These experimental observations are consistent with XRD results on multilayered graphite oxide as reported in the literature. However, the results presented here exclude the postulated interstratification effect, for hydration of GO at low RH. Instead, the gradual expansion is attributed to the continuous incorporation of water molecules into single GO layers, while the step-like expansion when completely immersed in water, is attributed to the insertion of a full monolayer of water. On the other hand, the interface between graphene and its substrate may exhibit a confined electric field, a common phenomenon due to charge transfer at interfaces. In this work, this subject is addressed using Rhodamine 6G (R6G) as a probe molecule confined between graphene and mica. A red shift of the RG6 peaks at low RH is argued to be due to both, electric fields acting on the molecules and mechanical deformation of the R6G structure at the interface. The strength of the field is estimated from the graphene Raman spectra to be on the order of 1 V/nm.

In dieser Arbeit werden verschiedene Aspekte des Designs und der Funktionsweise von in Flüssigkeit betriebenen Graphen-basierten Sensoren untersucht, wodurch neue Einblicke in grundlegende Prozesse an der Graphen-Flüssigkeits-Grenzfläche gewonnen werden. Zunächst wird die Wirkung redoxaktiver Moleküle in der Elektrolytlösung in elektrochemisch gesteuerten Graphen-FETs untersucht. Während des Betriebs kann ein heterogener Elektronentransfer stattfinden, der zu Faradayschen Strömen am Graphenkanal führt. Diese führen zu Verschiebungen der Transferkurve von Graphen, da die Graphen-Flüssigkeits-Grenzfläche eine nur teilweise polarisierbare Elektrode darstellt. Dies wird als „Faradayscher Effekt“ bezeichnet. Er unterscheidet sich grundlegend von typischen Transduktionsmechanismen. Parameter, die den Faradayschen Effekts beeinflussen, werden detailliert untersucht. So sind die Verschiebungen z.B. abhängig von der Graphenkanalfläche. Der zweite Abschnitt konzentriert sich auf die Kante von Graphen, die einen nanoskopischen eindimensionalen Defekt des zweidimensionalen Materials darstellt. In dieser Arbeit wird ein neuer Graphen-FET vorgestellt, der auf der Steuerung von Graphen nur über die elektrochemische Doppelschicht an der Kante basiert. Um dies zu erreichen, wird der basale Teil des Graphens durch eine Passivierung vollständig von der Elektrolytlösung abgeschirmt. Des Weiteren wird gezeigt, dass die Kante des Graphens durch elektrochemische Modifizierung kovalent funktionalisiert werden kann, wodurch die Ladungsdichte an der Graphenkanten-Flüssigkeits-Grenzfläche effektiv verändert wird. Dabei bleiben die vorteilhaften Eigenschaften der Devices erhalten. Schließlich wird ein neuartiger Ansatz zu Untersuchungen an der Graphenkante in Form von mit hexagonalem Bornitrid-verkapseltem Graphen-Elektroden verfolgt. Die elektroanalytische Detektion von Ferrocenmethanol und Dopamin an der Graphenkante mittels zyklischer Voltammetrie wird an diesen Elektroden gezeigt. / Several aspects of the design and function of sensors based on graphene operated in liquid have been investigated in this thesis, providing new insight into fundamental processes at the graphene-liquid-interface. First, the effect of the presence of redox active molecules in the analyte solution of electrochemically gated graphene FETs is explored. During operation, heterogeneous electron transfer may occur at relevant potentials leading to Faradaic currents at the graphene channel. These lead to doping-like shifts of the transfer curve of graphene, as the graphene-liquid-interface represents a partially polarizable electrode. Due to the origin of the shifts, this observation is termed “Faradaic effect”. It is fundamentally different from typically discussed transduction mechanisms. Parameters influencing the direction and magnitude of the Faradaic effect are discussed in detail, e.g. the shifts are the stronger, the larger the area of the graphene channel. The second part focuses on the edge of graphene, which represents a nanoscopic one-dimensional defect of the two-dimensional material. Here, a new type of graphene FET is introduced based on electrochemical gating of graphene exclusively via the electrical double layer at its edge. To achieve edge-gating, the basal part of graphene is passivated by a photoresist and shielded entirely from interaction with the solution. It is demonstrated that the edge of graphene can be functionalized covalently via electrografting. This changes the charge density at the graphene edge-liquid-interface effectively, while maintaining the favorable transfer characteristics of the devices. Finally, a novel approach towards graphene edge devices was pursued in the form of hexagonal boron nitride encapsulated graphene. The electrochemical detection of ferrocene methanol and dopamine was demonstrated in standard and fastscan cyclic voltammetry at the edge of graphene in these devices.

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Die Assoziation kleiner Moleküle (Liganden) in hydrophobe Bindungstaschen spielt eine fundamentale Rolle in der Biomolekularerkennung und den Selbstassemblierungsprozessen der physikalischen Chemie wässriger Lösungen. Während der Einfluss des Wassers auf die freie Energie der Bindung (die Bindungsaffinität) im thermischen Gleichgewicht in den letzten Jahren auf immer stärkere Aufmerksamkeit stößt, ist die Rolle des Wassers in der Kinetik und der Bestimmung der Bindungsraten noch weitestgehend unverstanden. Welche nanoskaligen Effekte des Wassers beeinflussen die Dynamik des Liganden in der Nähe der Bindungstasche, und wie lassen sie sich durch die chemischen Eigenschaften der Tasche steuern? Neuste Forschungen haben mithilfe von molekularen Computersimulationen eines einfachen Modells gezeigt, dass Hydrationsfluktuationen in der hydrophoben Bindungstasche an die Dynamik des Liganden koppeln und damit seine Bindungsrate beeinflussen. Da die Wasserfluktuationen wiederum durch die Geometrie und Hydrophobizität der Bindungstasche beeinflusst werden, entsteht die Möglichkeit, kontrollierte Fluktuation zu kreieren, um die Bindungsraten des Liganden zu steuern. In dieser Arbeit wird diese Perspektive mithilfe eines theoretischen Multiskalenansatzes für prototypische Schlüssel-Schloss-Systeme aufgegriffen. Wir untersuchen den Einfluss der physikochemischen Eigenschaften der Bindungstasche auf die Diffusivität und die Bindungsraten des Liganden, und wie die Orientierung eines anisotropen Liganden an die Hydrationsfluktuationen der Tasche koppelt. Damit stellen wir fest, dass kleine Änderungen der Taschentiefe eine extreme Beschleunigung der Bindungsraten bewirken kann und, dass gleichzeitig die Bindung in konkave Taschen vorteilhaft für die Reorientierungsdynamik des Liganden ist. Die Resultate dieses Projekts sollen somit helfen, maßgeschneiderte Lösungen für funktionale „Host-Guest“-Systeme sowie pharmazeutische Moleküle in biomedizinischen Anwendungen zu entwickeln. / The association of small molecules (ligands) to hydrophobic binding pockets plays an integral role in biochemical molecular recognition and function, as well as in various self-assembly processes in the physical chemistry of aqueous solutions. While the investigation of water contributions to the binding free energy (affinity) in equilibrium has attracted a great deal of attention in the last decade, little is known about the role of water in determining the rates of binding and kinetic mechanisms. For instance, what are the nanoscale water effects on ligand diffusion close to the hydrophobic docking site, and how can they be steered by the chemical composition of the pocket? Recent studies used molecular simulations of a simple prototypical pocket-ligand model to show that hydration fluctuations within the binding pocket can couple to the ligand dynamics and influence its binding rates. Since the hydration fluctuations, in turn, can be modified by the pocket’s geometry and hydrophobicity, the possibility exists to create well-controlled solvent fluctuations to steer the ligand’s binding rates. In this work, we pick up this appealing notion employing a theoretical multi-scale approach of a generic key-lock system in aqueous solution. We explore the influence of the physicochemical properties of the pocket on local ligand diffusivities and binding rates and demonstrate how the orientation of a (non-spherical) ligand couples to a pocket’s hydration fluctuations. We find that minor modulation in pocket depth can drastically speed up the binding rate and that, concurrently, binding to molded binding sites is advantageous for the rotational dynamics of the ligand. The results and discussion of this work shall, therefore, imply generic design principles for tailored solutions of functional host-guest systems as well as optimized drugs in biomedical applications.

In the thesis CuPc thin films were investigated by (in situ) SE and RAS, which are employed to determine the out-of-plane and in-plane optical anisotropy and molecular orientation, respectively. CuPc is a promising candidate of organic semiconductors used in organic field effect transistors, organic light emitting diodes and organic solar cells. Vicinal Si(111) substrates are interesting due to the in-plane anisotropy caused by the steps and terraces on the surface. The strength of in-plane anisotropy of vicinal Si(111) is dependent on the offcut angle. The influence of offcut angle on out-of-plane and in-plane molecular orientation in CuPc thin films is explored. The in situ investigation of CuPc films suggests that structural changes occur during film growth. In addition, two different surface modification layers were utilized to examine the effect on CuPc molecular orientation: OTS monolayer with upright standing molecules and PTCDA layers with flat lying molecules. Metal-organic interface plays an important role in organic electronic devices. In-CuPc is chosen to be an example system investigated employing in situ SE and RAS. When In was thermally evaporated onto CuPc film, In atoms firstly diffuse into the CuPc film underneath and then aggregate to form clusters on top. Hafnium dioxide (HfO2) is currently a hot topic to replace the conventionally used SiO2 as gate dielectrics in order to minimize leakage current when further scaling down microelectronic devices. Since HfO2 films are often crystalline, in order to obtain amorphous films which are beneficial to minimize leakage current, aluminum oxide (Al2O3) (k value: 9) which stays amorphous at much higher temperatures are combined to overcome this difficulty. Two series of ultra-thin samples were deposited by atomic layer deposition: mixed layers HfxAl1-xOz and bilayers HfO2 on Al2O3. Optical constants and bandgap are determined using SE in the energy range of 0.7-10 eV. It is found that the (effective) optical bandgap of both mixed layer and bilayer structures can be tuned by the film composition. Aging effect of high-k films was observed after storage of samples in air for two months, which is attributed to further oxidation of the dielectric films caused by the oxygen diffusion from ambient air to high-k films. / In dieser Arbeit werden dünne Schichten aus Kupferphthalozyanin (CuPc) mittels spektroskopischer (in-situ) Ellipsometrie (SE) und (in-situ) Reflektions-Anisotropie-Spektroskopie (RAS) untersucht, um die optische Anisotropie in einer Ebene parallel und senkrecht zur Schichtoberfläche und die molekulare Orientierung zu bestimmen. CuPc ist ein aussichtsreicher Kandidat als organischer Halbleiter in organischen Feldeffekt-Transistoren, organischen Leuchtdioden und organischen Solarzellen. Vizinale Si(111)-Substrate sind wegen der Anisotropie in der Substratebene interessant, die durch die Treppen und Terrassen auf der Oberfläche verursacht wird. Die Stärke der Anisotropie der vizinalen Si(111)-Oberfläche ist vom Schnittwinkel (Offcut) abhängig. Es wird der Einfluss des Offcut-Winkels auf die molekulare Orientierung in dünnen CuPc-Schichten parallel und senkrecht zur Substratoberfläche untersucht. Die in-situ Untersuchungen von CuPc-Schichten weisen darauf hin, dass strukturelle Veränderungen beim Wachstum auftreten. Darüber hinaus wurden zwei unterschiedliche Oberflächenmodifizierungsschichten, um deren Wirkung auf die molekulare Orientierung von CuPc zu untersuchen, verwendet: eine OTS-Monoschicht mit aufrecht stehenden Molekülen und PTCDA-Schichten mit flach liegenden Molekülen. Metall-organische Grenzflächen spielen eine wichtige Rolle in organischen elektronischen Bauelementen. In-CuPc wird als Beispiel für ein Metall-organisches System durch in-situ SE und RAS untersucht. Wenn In thermisch auf eine CuPc-Schicht aufgedampft wird, diffundieren In-Atome zunächst in die darunterliegende CuPc-Schicht und bilden dann Cluster auf der Schicht. Hafniumdioxid (HfO2) ist ein heißer Kandidat für das Ersetzen des herkömmlich als Gate-Dielektrikum verwendeten SiO2 mit dem Ziel, die Leckströme bei der weiteren Verkleinerung mikroelektronischer Bauelemente zu minimieren. Um amorphe Schichten, die vorteilhaft zur Minimierung der Leckströme sind, zu erhalten, werden die HfO2-Schichten, die oft kristallin sind, mit Aluminiumoxid (Al2O3) (k-Wert: 9) kombiniert, das bei wesentlich höheren Temperaturen amorph bleibt. Zwei Serien von ultra-dünnen Proben wurden durch Atomlagenabscheidung hergestellt: Mischschichten HfxAl1-xOz und Doppelschichten HfO2 auf Al2O3. Die optischen Konstanten und Bandlücken wurden mittels SE im Energiebereich von 0,7 bis 10 eV bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass die (effektive) Bandlücke der Misch- und Doppelschichten durch die Komposition abgestimmt werden kann. Nach Lagerung der High-k-Schichten für zwei Monate an Luft konnte ein Alterungseffekt beobachtet werden. Dieser wird auf die weitere Oxidation der dielektrischen Schichten, die durch Sauerstoffdiffusion aus der Umgebungsluft in die High-k-Schichten ermöglicht wird, zurückgeführt.

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