Failure analysis and optimization of semiconducting devices request knowledge of their electrical properties. To meet the demands of today’s semiconductor industry, an electrical nanometrology technique is required which provides quantitative information about the doping profile and which enables scans with a lateral resolution in the sub-10 nm range. In the presented work it is shown that Kelvin probe force microscopy (KPFM) is a very promising electrical nanometrology technique to face this challenge. The technical and physical aspects of KPFM measurements on semiconductors required for the correct interpretation of the detected KPFM bias are discussed. A new KPFM model is developed which enables the quantitative correlation between the probed KPFM bias and the dopant concentration in the investigated semiconducting sample. Quantitative dopant profiling by means of the new KPFM model is demonstrated by the example of differently structured, n- and p-type doped silicon. Additionally, the transport of charge carriers during KPFM measurements, in particular in the presence of intrinsic electric fields due to vertical and horizontal pn junctions as well as due to surface space charge regions, is discussed. Detailed investigations show that transport of charge carriers in the semiconducting sample is a crucial aspect and has to be taken into account when aiming for a quantitative evaluation of the probed KPFM bias.

Graphene is a semimetal with zero band gap. Position of Fermi level can be changed by applied gate voltage, which results in a change of free carier concentration. This work focuses on a simultaneous measurement of surface potential by Kelvin probe force microscopy (KPFM) and transport response of graphene Hall bars in different relative humidities and with applying gate voltage. The transport response was also observed in case of graphene Hall bar structure modified by local anodic oxidation (LAO).

Cerium oxide has become an outstanding material in catalytic applications over the last decades. In this thesis, the morphology and atomic structure of thick cerium oxide films and ceria single crystals is investigated by non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM). The ceria films are prepared by annealing cycles from room temperature up to 1100K in ultra high vacuum (UHV) and in an oxygen atmosphere. The films exhibit large smooth terraces separated predominantly by O-Ce-O triple layer height step edges but in contrast to the ceria single crystals some inhomogeneities are observed on the terraces. By annealing the film at 1020K to 1070K in UHV several intermediate phases can be stabilized ranging from the fully oxidized phase CeO2 to the fully reduced phase Ce2O3. These phases have a unique stoichiometry with regular arranged vacancies in the surface and subsurface as revealed by density functional theory (DFT) calculations. The film can be reoxidized by annealing in an oxygen atmosphere as shown by X-ray spectroscopy (XPS). The annealing in oxygen atmosphere also results in a surface with less inhomogeneities. This makes the ceria films an excellent model system for catalytic applications. Further in this thesis a measurement series exhibiting absorbed water on the film surface is presented and discussed. Also line defects observed on the film and on the single crystal are analyzed.

In this thesis, the morphology and electric potential of pristine and gold covered surfaces with the fluorite structure are investigated by non-contact atomic force microscopy (NC-AFM) and Kelvin probe force microscopy (KPFM). The pristine (111) surface of calcium difluride is prepared by cleaving. Cleavege ledges are composed of short alternating type I and type II steps having different atomic structures and polarities. With respect to the stoichiometric terrace, the surface potential is slightly reduced at ledges predominately composed of type I steps, while the potential of ledges predominantly composed of type II steps is significantly higher. Pristine (111) surfaces of ceria single crystals and ceria thick films are prepared by repeated cycles of sputtering and annealing. Annealing bulk samples at 1100 K results in small terraces with rounded ledges and steps with predominantly one O-Ce-O triple layer height while annealing at 1200 K produces well-ordered straight step edges in a hexagonal motif and step bunching. The morphology and topographic details of films are similar, however, films are destroyed upon heating above 1100 K. NC-AFM and KPFM images exhibit uniform and atomically perfect terraces on a single crystal surface while films exhibit significant inhomogeneities even for best possible preparation conditions. Applying X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (TOF-SIMS), a significant contamination of the bulk ceria sample with fluorine within the first 5 nm below the surface is found while a possible fluorine contamination of films is below the detection limits. After deposition of gold, a surprisingly strong interaction of gold adatoms to the (111) surface of bulk ceria is found. The pinning of individual adatoms to one specific surface site and the stability against sintering for annealing temperatures up to 520 K is discussed considering the fluorine contamination of bulk ceria samples. Additionally nanoscale gold clusters supported on ceria are fully characterized by employing elaborate NC-AFM and KPFM experiments gaining detailed information on their shape, crystalinity, epitaxy and binding to the substrate.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien Fullerene, Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) und der Diamantoberfläche. Es werden jeweils zwei der genannten Materialien kombiniert und im Hinblick auf die dadurch entstehenden magnetischen und elektronischen Eigenschaften untersucht. Durch die Füllung von Fullerenen in CNTs mit entsprechenden Durchmessern ergibt sich eine eindimensionale Anordnung der Fullerene. Diese Strukturen werden als peapods bezeichnet. Bei der Verwendung von endohedralen, magnetischen Fullerenen ergibt sich durch die Einschränkung der Dimension die Möglichkeit einer wohl-definierten Kopplung und dadurch eine mögliche Änderung der magnetischen Eigenschaften. Die hier betrachteten Moleküle sind die paramagnetischen Fullerene N@C60 und Er3N@C80 sowie das ferromagnetische Dy2ScN@C80-Fulleren, welches auch als ein Einzelmolekülmagnet (SMM) bezeichnet wird. Für die Herstellung von peapods wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Füllanlage aufgebaut, welche die speziellen Anforderungen der Fullerene berücksichtigt und mit der auch CNTs auf Substraten gefüllt werden können. Der Erfolg der Füllung wird mit hochauflösender Transmisssions-Elektronenmikroskopie (HRTEM), energiedispersiver Röntgen-Spektroskopie (EDX) und optischer Emissions- Spektrometrie (OES) überprüft. Durch weitergehende Untersuchungen im HRTEM konnte eine Reaktion von metallischen Atomen aus den Fullerenen innerhalb der CNTs zu neuen, metallischen Clustern beobachtet werden. Für die Untersuchungen möglicher Änderungen der magnetischen Eigenschaften sind magnetische Messungen notwendig. Diese können mit der Methode des magnetischen zirkularen Röntgendichroismus (XMCD) durchgeführt werden. Für das Ziel von nanoskopischen XMCD-Messungen einzelner peapods wurden Rastertransmissions- Röntgenmikroskopie-Messungen (STXM) am Synchrotron durchgeführt. Diese wurden mit HRTEM-Messungen derselben Probenpositionen korreliert, um die spektroskopische mit der räumlichen Auflösung zu verknüpfen. Dabei konnte ein Röntgenabsorptions- Spektrum von einem dünnen peapod-Bündel gemessen werden. Zusätzlich wurde mit makroskopischen XMCD-Messungen von Er3N@C80-Fullerenen, gefüllt in CNTs, gezeigt, dass diese Methode auch für peapods anwendbar ist. Erste XMCDMessungen von ferromagnetischen Dy2ScN@C80-Fullerenen zeigen eine deutliche Änderung der magnetischen Eigenschaften durch die eindimensionale Anordnung in CNTs. Im Zusammenhang mit der eindimensionalen Anordnung von paramagnetischen Fullerenen wurde außerdem ein Konzept eines Quantenregisters betrachtet, welches auf N@C60- peapods basiert. Diese sollen dabei auf eine Diamantoberfläche deponiert werden, um oberflächennahe Stickstoff-Fehlstellen-Zentren zum Auslesen der Spinzustände der N@C60- Fullerene verwenden zu können. Die in diesem Fall auftretende elektronische Wechselwirkung zwischen unterschiedlich terminierten Diamantoberflächen und CNTs sowie Fullerenen wurde mit Kelvinsonden-Mikroskopie- Messungen (KPFM) untersucht. Dabei wurde erstmalig ein Elektronentransfer von der wasserstoffterminierten Diamantoberfläche in CNTs experimentell nachgewiesen, während dieser bei Sauerstoffterminierung nicht beobachtet wurde. Die präsentierten Messungen geben Auskunft über den auftretenden Ladungstransfer, indem Ladungen in C60- Fullerenen und CNTs lokal aufgelöst abgebildet werden. Zusammenfassend können die in dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse helfen, zukünftige Bauelemente von klassischen Computern oder Quantencomputern, basierend auf niedrigdimensionalen Kohlenstoffmaterialien, zu entwickeln.

In dieser Arbeit werden die lokalen elektronischen Eigenschaften sowie der Ladungstransport bis auf atomare Längenskalen von epitaktischem Graphen auf der SiC(0001)-Oberfläche charakterisiert. Dazu wird neben den etablierten Rastersondenverfahren erstmals bei 6 K und unter UHV-Bedingungen die Methode der Rastertunnelpotentiometrie (STP) eingesetzt.  Hierzu wurden epitaktisch gewachsene Graphenproben auf der 6H-Si(0001)-Oberfläche unter UHV-Bedingungen durch resistives Heizen präpariert und anschließend elektrisch kontaktiert. Mit Hilfe des Rasterkraftmikroskopie und niederenergetischen Elektronenbeugung wird die Morphologie der Proben untersucht. Es können heterogene Proben mit einer Bedeckung von einlagigem und zweilagigem Graphen präpariert werden, die eine direkte vergleichende Untersuchung mit dem Rastertunnelmikroskop ermöglichen. Ergänzend wird zur Bestimmung der Lagenanzahl der gebildeten Graphenschichten die Differenz des Oberflächenpotentials von ein- und zweilagigem Graphen an Atmosphäre durch die Raster-Kelvin-Mikroskopie (KPFM) ermittelt.  Für Transportexperimente und zukünftige Anwendungen spielt der Kontaktwiderstand zwischen epitaktisch gewachsenem Graphen und den kontaktierenden Elektroden eine entscheidende Rolle. Es wird erstmals demonstriert, wie durch räumlich aufgelöste Messungen mit Hilfe der Raster-Kelvin-Mikroskopie am Gold-Graphen-Interface auf semi-isolierendem SiC(0001) eine obere Grenze des Kontaktwiderstandes von ρ_c=1×10^(-6) Ωcm² abgeschätzt werden kann.  Die Untersuchung der epitaktisch gewachsenen Graphenproben mit der Methode der Rastertunnelmikroskopie (STM) ermöglichen die eindeutige Identifizierung von ein- und zweilagigem Graphen und deren hexagonale atomare Struktur, die über mehrere 100 nm² keine Punktdefekte zeigen. Die unter der Graphenschicht liegende Zwischenschicht zeigt eine stark ungeordnete quasiperiodische Struktur mit zahlreichen Trimeren, die ebenso bei einer Bedeckung der Zwischenschicht mit ein- und zweilagigem Graphen abgebildet werden können. Einlagiges Graphen ist auf atomaren Längenskalen elektronisch stark inhomogen. Es können im Energiebereich von E_F±100 mV zahlreiche lokalisierte, räumlich variierende Zustände identifiziert werden, die selbst bei der Fermienergie auf Längenskalen von 5 nm² zu Variationen in der Zustandsdichte führen. Auf zweilagigem Graphen fallen Variationen in der lokalen Zustandsdichte geringer aus.  Um den für den elektronischen Transport relevanten Energiebereich bei E_F zu spektroskopieren, wird die Thermospannung im Tunnelkontakt ausgenutzt, welche sich mit der STP-Methode bestimmen lässt. Diese liefert neue Einblicke in die elektronische Struktur der Graphenoberfläche bei E_F. Die räumliche Variation der Thermospannung bei abgeschätzten Temperaturdifferenzen von einigen 10 bis 100 K zwischen Spitze und Probe liegt bei einigen 10 bis 100 µV sowohl auf atomarer Skala als auch zwischen ein- und zweilagigem Graphen und ist sehr empfindlich auf die atomaren Eigenschaften der eingesetzten STM-Spitze. Die hohe laterale und energetische Auflösung des Verfahrens ermöglicht die Analyse von Streuprozessen wie der Intra- und Intervalley-Streuung und zeigt im Gegensatz zu bisherigen Annahmen, dass auch noch zweilagiges Graphen elektronisch von der Zwischenschicht beeinflusst wird.  Die starke elektronische Inhomogenität der Proben bei der Fermienergie spiegelt sich auch in den Transportexperimenten mit dem STP-Verfahren wider. Es zeigen sich signifikante Spannungsabfälle auf ein- und zweilagigen Graphenflächen und an lokalisierten Defekten wie Übergängen zwischen einlagigen Graphenflächen und Übergängen zwischen ein- und zweilagigen Graphenflächen. Der Potentialverlauf kann gut durch ein klassisches ohmsches Transportmodell mit spezifischen Widerständen beschrieben werden. Die quantitative Analyse liefert spezifische Widerstände der einzelnen Defekte, die in der Größenordnung bisheriger Transportuntersuchungen liegen. Dabei zeigt sich, dass ein- und zweilagiges epitaktisches Graphen nahezu identische Mobilitäten von ~1000 cm²/Vs bzw. mittlere freie Weglängen von ~40 nm bei 6 K aufweisen. Diese Werte liegen weit unter den theoretisch erwarteten einer defektfreien Graphenoberfläche. Im Zuge der Transportmessungen wird ebenso der Einfluss der Thermospannung im Tunnelkontakt untersucht. Für Ladungstransportmessungen stellt sie einen zunächst unerwünschten Nebeneffekt dar, da die Variationen in der Thermospannung in derselben Größenordnung wie die Variationen im lokalen elektrochemischen Potential im Fall der durchgeführten Transportexperimente sind. Dies kann zu Fehlinterpretationen bei der Bestimmung von Spannungsabfällen führen. Jedoch wird im Rahmen der experimentellen Auflösung gezeigt, dass sich die Thermospannung rein additiv verhält und für Messungen des lokalen elektrochemischen Potentials mit entgegensetzten Stromrichtungen eliminieren lässt.  Des Weiteren wird der Verlauf des elektrochemischen Potentials in der unmittelbaren Umgebung von Übergängen zwischen ein- und zweilagigem sowie einlagigem Graphen untersucht. Die Spannungsabfälle sind auf einen Bereich kleiner λ_F/2 lokalisiert. Im Bezug auf den topographischen Verlauf zeigt sich für den Spannungsabfall am Übergang zwischen ein- und zweilagigem Graphen ein lateraler Versatz hin zum zweilagigen Graphen. Als Ursache wird ein kombinierter Streumechanismus aus einer lokalen Änderung der Dotierung und Fehlanpassung der Wellenfunktionen am Übergang zwischen ein- und zweilagigem Graphen vorgeschlagen.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ober?ächen- bzw. Grenz?ächenphotospannung (SPV) an dünnen organischen Schichten auf Metallsubstraten. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem System dünner Schichten von 3,4,9,10-Perylen- Tetracarbonsäure-Di-Anhydrid (PTCDA) auf einem Au(110)-Kristall. Für diese Untersuchungen wurde eine phasensensitive Methode auf der Basis der Photoelektronenspektroskopie (PES) mit zusätzlicher modulierter Lichteinstrahlung entwickelt, die es erlaubt, lichtinduzierte Verschiebungen des Ober?ächenpotentials mit einer Au?ösung ? 1mV zu detektieren. Diese modulierte Photoelektronenspektroskopie wird ausführlich vorgestellt. Eine makroskopische Kelvin-Sonde und die Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie (KPFM) werden als weitere Möglichkeiten zur Bestimmung des Ober?ächenpotentials vorgestellt. Die Photospannung wird mit diesen Methoden in Bezug auf drei Parameter untersucht: Da die Barriere an der Grenz?äche, welche für die Ausbildung der Photospannung ursächlich ist, durch die Photospannung reduziert wird, geben Messungen der SPV in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung Informationen über die energetische Struktur der Grenz?äche, speziell über die Höhe der Barriere. Mit den ebenfalls aus diesen Methoden gewonnen Informationen über die Austrittsarbeit und Ionisationsenergie von PTCDA lässt sich ein Bandschema des Systems Au/PTCDA entwickeln. Die wellenlängenabhängigen Messungen zeigen, dass Exzitonen in verschiedenen Zuständen erzeugt werden. Diese werden mit unterschiedlichen Photonenenergien angeregt und besitzen unterschiedliche Di?usionslängen. Da die Exzitonen zum Dissoziieren an die Grenz?äche di?undieren müssen, tragen die unterschiedlichen Exzitonenzust ände mit unterschiedlichem Anteil zur Photospannung bei. Die Untersuchungen der Entstehungs- und Zerfallszeit zeigen, dass sich die Photospannung sehr schnell nach Lichteinschaltung aufbaut. Der Abbau der Photospannung nach Lichtabschaltung erfolgt vergleichsweise langsam. Dies bedeutet, dass die Ladungsträger, die nach der Ladungsträgertrennung in der organischen Schicht zur ückbleiben, in Fallenzuständen gebunden sind, aus denen sie thermisch aktiviert werden müssen. In einem separaten Abschnitt werden die Entwicklung sowie Messergebnisse eines Stimmgabel-Rasterkraftmikroskops (AFM) vorgestellt. Dieses ermöglicht die hochau ?ösende topographische Abbildung der Ober?äche mit einer vertikalen Sensitivität im Ångström-Bereich. Das Ziel, mit diesem Gerät KPFM zu betreiben, konnte beim Einsatz an Luft nicht verwirklicht werden. / Subject of this work is the investigation of surface and interface photovoltage (SPV) of thin organic films on metal substrates. Special attention is focused on the system of thin layers of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) on an Au(110) crystal. For this investigation a novel phase sensitive method was developed based on photoelectron spectroscopy (PES) under additional modulated illumination. It provides the possibility to detect light induced changes in the surface potential with a resolution of about 1mV. This modulated photoelectron spectroscopy is described in detail. Macroscopic Kelvin probe and Kelvin probe force microscopy (KPFM) are presented as further possibilities to measure the surface potential. The photovoltage is investigated by these techniques regarding three parameters: Due to the fact that the barrier at the interface is responsible for the formation of the photovoltage and that the height of this barrier is reduced by the photovoltage, the measurement of the dependence of the SPV on the intensity of the incident light provides information about the energetic structure of the interface. Together with the values of the work function and the ionisation energy of PTCDA, also gained with this methods, a band diagram of the interface can be developed. The wavelength dependent measurements show that excitons can be generated in multiple states. They are excited at different photon energies and have different diffusion lengths. The excitons have to diffuse to the interface to dissociate. Therefore the different excitation states contribute to SPV with different amounts. The investigations upon the generation and decay of the photovoltage shows that the SPV signal appears immediately after switching on the illumination. The decay of the photovoltage after switching off the light is much slower. This implies that the charge carriers are trapped as they remain in the organic film after charge separation at the interface. They have to be thermally activated from this traps. In an extra chapter the development and measurement results of a tuning fork scanning force microscope (AFM) are described. This AFM features high resolution topography images with a vertical sensitivity in the range of single angstroms.

Grâce à des expériences en ultra-vide avec un AFM en mode non-contact (nc-AFM) et une nano-sonde de Kelvin (KPFM), nous avons pu précisément caractériser plusieurs dépôts de molécules sur différentes surfaces isolantes, dont la surface (001) de monocristaux de NaCl dopés par des ions Cd2+, appelée la surface de Suzuki. Cette surface est nanostructurée de façon à ce que deux régions très distinctes coexistent : des régions de NaCl pures et des régions de Suzuki qui recouvrent partiellement la surface (001) du cristal. Nous montrons que la surface de Suzuki peut être utilisée comme surface nanostructurée dans le but de confiner l'adsorption de nano-objets tels que des molécules organiques ou inorganiques. Après déposition de différentes molécules pentahélicènes fonctionalisées, une large partie de celles-ci reste préférentiellement adsorbée dans les régions de Suzuki. Suite aux observations nc-AFM et KPFM un modèle sera présenté sur les mécanismes d'adsorption et désorption de ces hélicènes, accompagné d'une étude étonnante sur des ilots de molécules fullerènes C60 déposés sur plusieurs surfaces isolantes, et la manipulation de charges dans ces ilots. / Thanks to ultra high vacuum experiments using non-contact AFM and Kelvin probe force microscopy (KPFM), we have been able to characterize precisely several depositions of molecules on different surfaces, including the (001) surface of a Cd2+ doped NaCl single crystal called the Suzuki surface. This surface is nanostructured such as two different regions coexist : pure NaCl regions and Suzuki regions covering partially the (001) surface. We show that the Suzuki surface can be used as a nanotemplate in order to confine the adsorption of nano-objects such as organic or inorganic molecules. After deposition of different functionalised pentahelicenes molecules, a large part of those stay preferentially adsorbed on Suzuki regions. Following the nc-AFM and KPFM observations a model will be presented on the mechanism of adsorption and desorption of those helicenes, accompanied with a astonishing study about fullerenes C60 molecules deposed on several surfaces, and the charge manipulation in these islands.

Due to the rapid expansion of nanotechnology and the increasing applications of nanomaterials under production and development, it is essential evaluate the potential impacts on human health, ecosystems and the environment. This study is specifically focused on the interactions between metal-based nanoparticles (NPs) and target cells, aiming at exploration of the fundamental knowledge essentially useful for understanding nanotoxicity and its connections with particle properties. The whole structure of this study can be divided into three levels: the first level is to quantitatively understand physicochemical properties of NPs of interest and their dynamic changes under varying environmental conditions. The second level is to evaluate the biological interactions of representative NPs with a specific focus on the size-dependent adsorption processes, interfacial forces, cellular disruption, and membrane damages. The third level is to develop effective, accurate, and valid tools based on atomic force microscopy (AFM) to characterize NPs in terms of the nanoscale hydrophobicity and the nanoscale electric properties, which are most relevant and important properties in the bio-nano interactions. Overall, this study systematically investigated the kinetic environmental behaviors, biological interactions, and unique nano-properties of metal-based NPs, which should be of interest to people in application and implication of nanotechnology.

Ce manuscrit d'HDR comprend trois parties comprenant pour certaines plusieurs chapitres. Mes travaux de recherche depuis le post-dosctorat (2001) jusqu'à 2012 y sont présentés synthétiquement. Ceux-ci concernent les thématiques de microscopie à force atomique en mode non-contact et de microscopie de sonde de Kelvin appliquées à la caractérisation structurale et à la mesure des propriétés électroniques de phases de molécules organiques adsorbées sur des surfaces de sels alcalins sous ultra-vide.