Organic molecules such as porphyrins and alkanethiols are currently being investigated for applications such as sensors, light-emitting diodes and single electron transistors. Porphyrins are stable, highly conjugated compounds and the choice of metal ion and substituents bound to the macrocycle as well as other effects such as chemical surrounding and cluster size modulate the electronic and photonic properties of the molecule. Porphyrins and their derivatives are relatively non-toxic and their very rich photo- and electro-chemistry, and small HOMO-LUMO gaps make them outstanding candidates for use in molecularly-enhanced electronic applications. For these studies, self-assembled tri-pyridyl porphyrin thiol derivatives have been fully characterized on Au(111) surfaces. A variety of surface characterization techniques such as Atomic Force Microscopy (AFM), Scanning Tunneling Microscopy (STM), FT-IR spectroscopy and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) have been implemented in order to obtain information regarding the attachment orientation based on the angle and physical height of the molecule, conductivity which is determined based on the apparent height and current-voltage (I-V) measurements of the molecule, conductance switching behavior due to conformational or other effects as well as the stability of the molecular ensembles. Specifically, the transport properties of free base and zinc coordinated tri-pyridyl porphyrin thiol molecular islands inserted into a dodecanethiol matrix on Au(111) were investigated using STM and cross-wire inelastic electron tunneling spectroscopy (IETS). The zinc porphyrin thiol islands observed by STM exhibited reversible bias induced switching at high surface coverage due to the formation of Coulomb islands of ca. 10 nm diameter driven by porphyrin aggregation. Low temperature measurements (~ 4 K) from crossed-wire junctions verified the appearance of a Coulomb staircase and blockade which was not observed for single molecules of this compound or for the analogous free base. Scanning probe lithography via nanografting has been implemented to directly assemble nanoscale patterns of zinc porphyrin thiols and 16-mercapotohexadecanoic acid on Au surfaces. Matrix effects during nanopatterning including solvent and background SAMs have been investigated and ultimately ~ 10 nm islands of zinc porphyrins have been fabricated which is the optimal size for the observed switching effect.

Die molekulare Elektronik setzt sich zum Ziel, passive und aktive Bausteine in integrierten Schaltkreisen auf molekularer Ebene zu realisieren. Dabei ist entscheidend, dass sich der elektrische Leitwert der molekularen Bauelemente hinreichend regulieren lässt. Um zu belegen, dass dies möglich ist, wird in dieser Dissertation die gezielte Leitwertkontrolle einzelner über Nanoelektroden kontaktierter Moleküle nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse ergänzen dabei nahtlos aktuellste Studien. Zum einen werden kontaktierte molekulare Schalter durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge in-situ von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand geschaltet, wobei der Einfluss unterschiedlicher Seitengruppen für eine zusätzliche Modifikation des Leitwerts sorgt. Ausschlaggebend ist hierbei die elektronische Anbindung des Moleküls an die Elektroden. Zum anderen werden Molekül-Metall-Komplexe durch die Einbindung eines Übergangsmetallions von einem isolierenden in einen leitenden Zustand versetzt. In diesem Fall lässt sich der leitende Zustand durch die Wahl des Ions innerhalb einer Größenordnung variieren, was eine völlig neue Möglichkeit der Leitwertkontrolle in molekularen Bausteinen darstellt. Das Ion bestimmt dabei sowohl die mechanische Stabilität als auch die elektronische Struktur des Moleküls. Für die Kontaktierung einzelner Moleküle kommt die Technik des mechanisch kontrollierten Bruchkontakts zum Einsatz. So lassen sich feine Goldnanoelektroden herstellen, an die Moleküle anbinden. Um eine präzise Analyse durchzuführen, werden über zwei unabhängige Messstrategien Informationen über das elektrische Transportverhalten sowie über die elektronische Struktur der Moleküle erworben. In dieser Arbeit sind echte Neuentwicklungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik gelungen, die einen wesentlichen Beitrag für die Umsetzung integrierter molekularer Schaltkreise leisten.

A material to function as a molecular electronic device should have a strong coupling with electrodes through appropriate and well-defined anchoring groups and have to support an effective traveling of charges via a conjugated molecular backbone. Oligo(3-hexylthiophene)s are π-conjugated molecules having large applicability in several areas of organic electronics owing interesting semiconducting properties and they also hold great promises in the field of single-molecule electronics. Polymerization methods, in principle, allow construction of long conjugated systems in a single synthetic step, however, most of them lack precision. This work uses externally initiated chain-growth Kumada Catalyst - Transfer Polycondensation (KCTP) for the synthesis of semiconductive oligo(3-hexylthiophene) wires with controllable molecular weights, low polydispersities, high regioregularities as well as with well-defined starting and end groups. In such a way, the synthetic efforts were compromised to obtain relatively easy a series of very complex molecular wires with a reasonable structural precision. To modulate the electronic function of oligomer backbones, specific charge-transfer moieties (DMA-TCBD and Fc-TCBD) were inserted as side chains or end groups. In-situ termination of KCTP with ZnCl-functionalized electron rich alkynes followed by Diederich-type click reaction resulted in the synthesis of asymmetrical oligo(3-hexylthiophene)s having thiolate-functionalized starting groups and donor-functionalized end-groups with a high degree of end-group functionalizations. Side chains of double-thiolate functionalized oligo(3-hexylthiophene)s, on the other hand, were further modified with the insertion of charge-transfer groups by post-polymerization functionalization. While the facile synthesis and modification of oligo(3-hexylthiophene)s enable the control over the molecular backbone, the specific starting and end anchoring groups allow the control over the electrode oligomer interface. To assure the formation of alligator clips between oligomer backbone and Au electrode, the optimizations including proper end-group conversion into mild counterparts followed by in-situ deprotection into thiolates and the binding abilities on gold were investigated. Finally, the conductance of bis-end functionalized oligo(3-hexylthiophene)s was preliminarily studied through oligomer backbone by Mechanically Controllable Break Junctions (MCBJs) setup and through oligomer-attached DNA origami-templated gold nanowires by individual electrical contacts. The developed KCTP-based synthetic route, at the end, presents new opportunities for the facile synthesis, the ease of modification and the feasibility of asymmetrical and side chain functionalized oligo(3-hexylthiophene) wires for needs of molecular electronics.

Polyzyklische organische Moleküle und deren Derivate sind eine Klasse von Nanostrukturen, die wegen diverser möglicher Anwendungen in molekularer und organischer Elektronik viel Aufmerksamkeit in der Wissenschaft erregt haben. Um ihre einzigartigen Eigenschaften in vollem Umfang auszunutzen, muss man das Verhalten von molekularen Systemen auf der Nanoskala verstehen und eine Reihe von Herstellungsverfahren entwickeln. In dieser Arbeit werden molekulare Nanostrukturen durch den Bottom-Up-Ansatz der Oberflächensynthese erzeugt. Als Untersuchungsmethode gilt Rastertunnelmikroskopie (STM) bei tiefen Temperaturen und im Ultrahochvakuum als Werkzeug der Wahl. Drei verschiedene molekulare Systeme werden ausführlich erforscht, mit dem Ziel organische Nanostrukturen mit gewünschten Eigenschaften und atomarer Präzision zu erzeugen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Cyclodehydrierungsreaktion erfolgreich für die Synthese von asymmetrischen Starphen verwendet. Es wird dann gezeigt, dass dieses Molekül als unimolekulares NAND-Logikgatter fungieren kann. Dabei wird die Positionierungsänderung der elektronischen Resonanz nach der Zufügung einzelner Goldatome an die Inputs des Moleküls gemessen. Eine Kombination aus atomarer und molekularer Lateralmanipulation mithilfe der Spitze des Rastertunnelmikroskops sowie Rastertunnelspektroskopie wird verwendet, um dieses Verhalten zu demonstrieren. Die steuerbare Verschiebung von molekularen Resonanzen entsteht wegen der asymmetrischen Form des Starphens und wurde theoretisch vorhergesagt. Molekulare Drähte werden im zweiten Teil der Arbeit durch die oberflächenassistierte Ullmann-Kupplung hergestellt. Ihr Baustein besteht aus abwechselnden Donor- und Akzeptorgruppen und wurde speziell vorgesehen, um leitfähige flexible molekulare Drähte herzustellen. Die Leitfähigkeit wird durch Ziehen einzelner Drähten von der Oberflächen mit der STM-Spitze gemessen. Theoretische Berechnungen der komplexen Bandstruktur der molekularen Drähte bestätigen die experimentellen Ergebnisse und unterstützen dabei die Wichtigkeit der Balance zwischen Akzeptor- und Donorgruppen für die Leitfähigkeit der Drähte. Basierend auf diesen Resultaten werden neue Strukturen zur Herstellung vorgeschlagen. Der letzte Teil befasst sich schließlich mit einer unimolekularen Reaktion, die zur Erzeugung einer anomalen Kombination von Pentagon- und Heptagonringen in einem einzelnen organischen Molekül führt. Solche 5-7-Einheiten sind analog zu Stone-Wales-Defekten in Graphen und können elektronische Eigenschaften beachtlich ändern. Die exakte intramolekulare Struktur der Reaktionsprodukte wird durch hochauflösende STM-Bildgebung mit funktionalisierter Spitze eindeutig zugeordnet und zusätzlich durch DFT-Rechnungen bestätigt. / Polycyclic organic molecules and their derivatives present the class of nanostructures that are currently in the focus of scientific research due to their perspectives for the versatile applications in molecular and organic electronics. To exploit their unique properties to full extent, one has to understand the behavior of molecular systems at the nanoscale and to develop a set of fabrication methods. In this work, molecular nanostructures are fabricated using the bottom-up on-surface synthesis approach, which allows precision of the desired products and control over their properties through careful precursors design. To study the reaction flow and the properties of the formed structures, scanning tunneling microscopy (STM) at low temperature and in ultra-high vacuum is the tool of choice. In this work, three molecular systems are studied in detail, with the focus of fabricating atomically precise nanostructures with tailored properties. A cyclodehydrogenation reaction is successfully applied to synthesize an asymmetric starphene molecule in the first part of the work. It is then shown that this molecule can function as a unimolecular NAND logic gate with its response to the attached single Au atoms measured as the position of the electronic resonance. A combination of the atomic and molecular lateral manipulation with the STM tip and scanning tunneling spectroscopy (STS) is used to demonstrate this behavior. The effect of the controllable shifting of the molecular resonances is due to the asymmetric shape of the starphene molecule and was initially predicted theoretically. More complex structures, molecular wires, are presented in the second part of the work by using the surface-assisted Ullmann coupling reaction. The monomer unit, consisting of the alternant donor and acceptor parts, was specifically designed to achieve highly-conductive flexible molecular wires. The conductance is measured by pulling the single wires with the STM tip off the surface. Theoretical calculations of the complex band structure of the wires confirm the obtained results and support the discussion of the importance of the balance between the strength of acceptor and donor units for the conductance of the resultant wires. Based on this, some model structures are proposed. Finally, the last part deals with a unimolecular reaction to create an anomalous combination of pentagon and heptagon rings in a single organic molecule. Such 5-7 moieties are analogous to the Stone-Wales defects in graphene and may significantly alter the electronic properties. The precise intramolecular structure of the reaction products is unambiguously assigned by high-resolution STM imaging with functionalized tips and further confirmed by DFT calculations.

A material to function as a molecular electronic device should have a strong coupling with electrodes through appropriate and well-defined anchoring groups and have to support an effective traveling of charges via a conjugated molecular backbone. Oligo(3-hexylthiophene)s are π-conjugated molecules having large applicability in several areas of organic electronics owing interesting semiconducting properties and they also hold great promises in the field of single-molecule electronics. Polymerization methods, in principle, allow construction of long conjugated systems in a single synthetic step, however, most of them lack precision. This work uses externally initiated chain-growth Kumada Catalyst - Transfer Polycondensation (KCTP) for the synthesis of semiconductive oligo(3-hexylthiophene) wires with controllable molecular weights, low polydispersities, high regioregularities as well as with well-defined starting and end groups. In such a way, the synthetic efforts were compromised to obtain relatively easy a series of very complex molecular wires with a reasonable structural precision. To modulate the electronic function of oligomer backbones, specific charge-transfer moieties (DMA-TCBD and Fc-TCBD) were inserted as side chains or end groups. In-situ termination of KCTP with ZnCl-functionalized electron rich alkynes followed by Diederich-type click reaction resulted in the synthesis of asymmetrical oligo(3-hexylthiophene)s having thiolate-functionalized starting groups and donor-functionalized end-groups with a high degree of end-group functionalizations. Side chains of double-thiolate functionalized oligo(3-hexylthiophene)s, on the other hand, were further modified with the insertion of charge-transfer groups by post-polymerization functionalization. While the facile synthesis and modification of oligo(3-hexylthiophene)s enable the control over the molecular backbone, the specific starting and end anchoring groups allow the control over the electrode oligomer interface. To assure the formation of alligator clips between oligomer backbone and Au electrode, the optimizations including proper end-group conversion into mild counterparts followed by in-situ deprotection into thiolates and the binding abilities on gold were investigated. Finally, the conductance of bis-end functionalized oligo(3-hexylthiophene)s was preliminarily studied through oligomer backbone by Mechanically Controllable Break Junctions (MCBJs) setup and through oligomer-attached DNA origami-templated gold nanowires by individual electrical contacts. The developed KCTP-based synthetic route, at the end, presents new opportunities for the facile synthesis, the ease of modification and the feasibility of asymmetrical and side chain functionalized oligo(3-hexylthiophene) wires for needs of molecular electronics.

Die molekulare Elektronik setzt sich zum Ziel, passive und aktive Bausteine in integrierten Schaltkreisen auf molekularer Ebene zu realisieren. Dabei ist entscheidend, dass sich der elektrische Leitwert der molekularen Bauelemente hinreichend regulieren lässt. Um zu belegen, dass dies möglich ist, wird in dieser Dissertation die gezielte Leitwertkontrolle einzelner über Nanoelektroden kontaktierter Moleküle nachgewiesen. Die erzielten Ergebnisse ergänzen dabei nahtlos aktuellste Studien. Zum einen werden kontaktierte molekulare Schalter durch Bestrahlung mit Licht einer bestimmten Wellenlänge in-situ von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand geschaltet, wobei der Einfluss unterschiedlicher Seitengruppen für eine zusätzliche Modifikation des Leitwerts sorgt. Ausschlaggebend ist hierbei die elektronische Anbindung des Moleküls an die Elektroden. Zum anderen werden Molekül-Metall-Komplexe durch die Einbindung eines Übergangsmetallions von einem isolierenden in einen leitenden Zustand versetzt. In diesem Fall lässt sich der leitende Zustand durch die Wahl des Ions innerhalb einer Größenordnung variieren, was eine völlig neue Möglichkeit der Leitwertkontrolle in molekularen Bausteinen darstellt. Das Ion bestimmt dabei sowohl die mechanische Stabilität als auch die elektronische Struktur des Moleküls. Für die Kontaktierung einzelner Moleküle kommt die Technik des mechanisch kontrollierten Bruchkontakts zum Einsatz. So lassen sich feine Goldnanoelektroden herstellen, an die Moleküle anbinden. Um eine präzise Analyse durchzuführen, werden über zwei unabhängige Messstrategien Informationen über das elektrische Transportverhalten sowie über die elektronische Struktur der Moleküle erworben. In dieser Arbeit sind echte Neuentwicklungen auf dem Gebiet der molekularen Elektronik gelungen, die einen wesentlichen Beitrag für die Umsetzung integrierter molekularer Schaltkreise leisten.

In der vorliegenden Dissertation werden das Selbstaggregationsverhalten und die elektronischen Eigenschaften von vier expandierten pi-konjugierten Makrozyklen in geordnete supramolekulare Architekturen mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie (STM) und Tunnelspektroskopie (STS) an Fest-Flüssig-Grenzflächen zwischen organischen Moleküllösungen und der Basalfläche von Graphit untersucht. Zwei Makrozyklen sind die Fotoisomere Z,Z–8T6A und E,E–8T6A, in denen sechs Ethynylengruppen und zwei cis- bzw. trans-Ethylen erhalten sind. STM-Bilder zeigen 2-dimensionale hexagonale Gitter. Strom-Spannungs-Kennlinien bestätigten den erwarteten donor-artigen Charakter der Makrozyklen. Das Schalten von Z,Z–8T6A zu E,E–8T6A wird durch STS zyklische Messungen angezeigt, nachdem die stabilste kationische Spezies ausgebildet wurde. Diese Ergebnisse stellen das erste elektrochemische Schalten unter Standard STM Bedingungen dar. Außerdem wurden die Photoisomerisierungen zwischen Z,Z-8T6A und E,E-8T6A an der Fest-Flüssig-Grenzfläche beobachtet. Eine selbstorganisierte Monoschicht aus Wasserstoffbrücken-gebundenen Trimesinsäuren an der Fest-Flüssig-Grenzfläche bildet Wirtsstellen für die epitaktische Anordnung von Fullerenen mit E,E–8T6A Komplexen in Mono- und Doppelschichten aus. Mit Hilfe der STM-Tomographie wird die Bildung der Templatschicht überprüft. Die Konformationsstabilität und die Adsorptionsstellen der Monoschichten werden mit der Hilfe von Molekulardynamik-Simulation bestätigt. Die STS-Experimente zeigen die Modifikation der gleichrichtenden Eigenschaften der Makrozyklen durch die Bildung von Donor-Akzeptor-Komplexen in einer dicht gepackten, selbstorganisierten supramolekularen Nanostruktur. Die Kombination von Wirt-Gast-Komplexen mit der Schaltfähigkeit und den elektronischen Transporteigenschafte von makrozyklischen Oligothiophenen prädestinieren diese als Kandidaten für Anwendungen in supramolekular konstruierten Systemen mit gewünschten (opto)elektronischen Eigenschaften. / The present thesis concerns to the self-assembly and the electronic properties of four pi-expanded macrocycles into ordered supramolecular architectures, investigated by means of scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at the solid-liquid interface between organic solutions and the basal plane of graphite. Two macrocycles are the photoisomers Z,Z–8T6A and E,E–8T6A, which contain six ethynylenes and two cis- and trans-ethylenes in opposite positions of the ring, respectively. STM images reveal hexagonally ordered 2D-networks. Current–voltage characteristics confirm the expected donor-like character of the macrocycles. Cyclic STS measurements indicate that Z,Z–8T6A switches to E,E–8T6A after formation of a most stable cationic species. This result represents the first reported electrochemical switching experiment under standard STM conditions. Additionally, the reversible photoisomerization between Z,Z-8T6A and E,E-8T6A upon irradiation was recognized at the solid-liquid interface. Moreover, a self-assembled monolayer of hydrogen-bonded trimesic acid at the solid-liquid interface provides host-sites for the epitaxial ordering of Saturn-like complexes of fullerenes with E,E–8T6A macrocycles in mono- and bilayers. STM tomography verifies the formation of the templated layer, while molecular dynamics simulations corroborate the conformational stability and assign the adsorption sites of the adlayers. STS measurements reveal the modification of the rectifying properties of the macrocycles by the formation of donor-acceptor complexes in a densely packed all-self-assembled supramolecular nanostructure. The combination of host-guest complexation and the switching capabilities and electronics transport characteristics of cyclic oligothiophenes render them candidates for applications in the study of supramolecular engineered systems with desirable (opto)electronic properties.

L’objectif de cette thèse est d’explorer le contrôle de processus électroniquement induits dans diverses molécules fonctionnalisées adsorbées sur la surface du Si(100). Ce travail s’inscrit dans le contexte des nanosciences moléculaires et a été réalisé à l’aide d’un microscope à effet tunnel (STM) à basse température (9K). Nous avons utilisé une approche combinant étude statistique et modélisation théorique afin de pouvoir explorer la physique des divers processus observés. Cette thèse débute par l’étude de la molécule d’hexaphényle benzène (HPB) dont les phényles latéraux permettent un découplage électronique entre la molécule et la surface du silicium. Grâce à cet effet, nous avons pu contrôler la diffusion directive et réversible de la molécule d’HPB physisorbée le long des marches de type SA à la surface du Si(100)−2×1 à travers un processus combinant l’action des électrons tunnels et celle du champ électrostatique induit par la pointe du STM. Ces premiers résultats ont permis d’envisager l’étude d’un couple de molécules de tétraphényles porphyrines métalliques adsorbées à la surface du Si(100)−2×1. Il s’agit de NiTPP et de CuTPP qui, comme pour l’HPB, possèdent des cycles phényles latéraux. Plusieurs conformations d’adsorption de ces deux molécules ont été caractérisées et leurs réponses à des excitations électroniques étudiées. Ceci nous a permis, pour la molécule de NiTPP, d’aboutir au contrôle de l’activation réversible d’un bistable intra-moléculaire en dépit de la chimisorption partielle de la molécule sur le silicium. L’étude de la molécule de CuTPP, quant à elle, montre des courbes de conductance I(V) en forme d’hystérésis associées à des changements réversibles de conformations réalisant ainsi une fonction mémoire. Dès lors, nous avons pu étudier la co-adsorption des molécules de NiTPP et de CuTPP sur le Si(100) afin de réaliser un binôme moléculaire. Divers couples de molécules ont pu être étudiés. Sur l’un d’entre eux, nous avons pu activer des processus d’excitations inter-moléculaires en excitant électroniquement l’une des molécules afin d’observer un changement de conformation de la seconde molécule du binôme. Ce résultat réalise ainsi le contrôle électronique d’un dispositif bi-moléculaire en s’affranchissant des processus électroniques induits via le substrat. Enfin, à titre de perspective, ce travail de thèse présente un procédé novateur permettant le contrôle local de l’hydrogénation de la surface de Si(100). Ceci est réalisé grâce à la passivation de la pointe du STM par l’hydrogène moléculaire à 9K. Les électrons tunnels sont ensuite utilisés pour induire la dissociation intra-dimer des molécules d’H2 sur la surface du Si(100). Cette technique peut être envisagée pour la passivation du Si(100) ou pour agir localement sur des circuits moléculaires. / The objective of this thesis is to explore the control of electronically induced processes in various functionalized molecules adsorbed on the surface of silicon (100). In the context of molecular nanoscience, this work has been carried out using a scanning tunneling microscope operating at low temperature (9K). We used an approach combining statistical study and theoretical modelling in order to explore the physics of the various observed processes. This thesis begins with the study of the Hexaphenylbenzene (HPB) molecule for which the lateral phenyl rings enable the molecule-silicon surface electronic decoupling. Thanks to this effect, we could achieve a directive and reversible diffusion control of physisorbed HPB molecules along the SA silicon step edge through a process combining the joint actions of tunnel electrons and the local STM tip induced electrostatic field. These first results allowed considering the study of a couple of metaltetraphenyl porphyrin molecules adsorbed on the Si(100)-2x1 surface. Similarly to the HPB molecules, the two chosen metalloporphyrins: NiTPP and CuTPP, have lateral phenyl rings. Several adsorption conformations for these molecules were characterized and their response to electronic excitation has been studied. In the case of NiTPP, this led to the control of the reversible activation of an intra-molecular bistable despite the partial chemisorption of the molecule on the silicon surface. As for CuTPP molecule, our study revealed hysteresis behavior on the I(V) conduction curves associated with reversible conformation changes which represents the realization of a memory function. Following the study of each molecule apart, we performed the co-adsorption of the two molecules on the Si(100) surface to study molecular pairs. Various pairs of molecules have been studied. On one of them, we were able to activate an inter-molecular excitation transfer process by locally exciting one molecule and observing a conformation change of the second molecule of the pair. This result thus shows the electronic control of a bi-molecular device getting rid of substrate mediated electronic process. Finally, as a perspective, this thesis presents a novel technique allowing the controlled local hydrogenation of the Si(100) surface. This is achieved thanks to the passivation of the STM tip by molecular hydrogen at 9K. The tunnel electrons are then used to induce the intra-dimer dissociative adsorption of H2 molecules on the Si(100) surface. This technique could be considered for the passivation of Si(100) or to locally modify molecular circuits.

Chapter 1.<br />1-Ethynyl-2-phenyltetramethyldisilanes HCºCSiMe2SiMe2C6H4-p-X [X = NMe2(1.1), Me (1.2), H (1.3), Br (1.4), CF3 (1.5)] are accessible from ClSiMe2SiMe2Cl, BrMgC6H4X and HCºCMgBr in a two step Grignard reaction. The crystal structure of 1.1 as determined by single crystal X-ray crystallography exhibits a nearly planar PhNMe2 moiety and an unusual gauche array of the phenyl and the acetylene group with respect to rotation around the Si-Si-bond. Full geometry optimization (B3LYP/6- 31+G**) of the gas phase structures of 1.1 and 1.3 affords minima for the gauche and the trans rotational isomers, both being very close in energy with a rotational barrier of only 3 – 5 kJ/mol. Experimental and calculated (time-dependent DFT B3LYP/TZVP) UV absorption data of 1.1 – 1.5 show pronounced electronic interactions of the HCºC- and the C6H4X p-systems with the central Si-Si bond.<br /><br />Chapter 2.<br />A family of [( 5-Cp*)Ru( 6-arene)]+ (Cp* = C5Me5) sandwich complexes of 1- and 1,4-substituted phenyl and naphthyl systems are described along with the regioselectivities of the reactions under various conditions. Finally, the (h 5-Cp*) Ru+ arenophile was found to act as a gate to the flow of electrons between para-substituted termini. When it is complexed onto the phenyl or A naphthyl ring, the gate is closed. On the contrary, when it is complexed onto the B naphthyl ring, the gate is open.<br /><br />Chapter 3.<br />Regioselective complexation reactions of the organoiron acetylide derivatives (h 2- dppe)(h 5-Cp*)Fe-C C-Ar (Ar = phenyl, 1-naphthyl; dppe = 1,2- bis(diphenylphosphino)ethane) with [(h 5-Cp*Ru(CH3CN)3][PF6] to afford heterobimetallic complexes formulated as [(h 2-dppe)(h 5-Cp*)Fe-C C-{(h 6-Ar)Ru(h 5- Cp*)}][PF6], were achieved. In the case of the FeII-RuII 1-naphthyl derivative, the (h 5-Cp*)Ru+ arenophile was complexed both onto the substituted ring and free rings of the acetylide 1-naphthyl linker. The first redox-driven h 6-h 6 inter-ring haptotropic migration of the (h 5-Cp*)Ru+ moeity was shown to occur. Crystal structures of all of the seven new iron acetylenes were resolved, including both haptotropomers of the naphthyl compound.<br /><br />Chapter 4.<br />The diorganoiron [{(h2-dpppe)(h5-Cp*)Fe-CC-}2(1,4-naphthyl)] (4.12) was synthesized in good yield in two steps via the vinylidene, and oxidation led to the mixed valence (MV) and iron(III)-iron(III) species in good to excellent yields. This exhaustive empirical study on the family of complexes 4.12[PF6]n (n = 0,1,2) includes a crystal structure for the case in which n = 2. This work clearly establishes good electronic and magnetic communication between the iron centers across the bis(ethynyl)naphthalene bridge. All empirical measurements of these naphthyl compounds reveal that their properties fall between those of known phenyl and anthracenyl derivatives. In some cases, the naphthyl derivative behaves as an average of the phenyl and anthracenyl complexes. For example, the comproportionation constant of the naphthyl species falls at the midpoint between those for the phenyl and anthracenyl compounds. The same is true for the UV absorption maxima in all three oxidation states (Fe[II]- Fe[II], MV, and Fe[III]- Fe[III]). The large electronic (2043 cm-1) and magnetic (-526 cm-1) coupling constants were determined via NIR spectroscopy and SQUID magnetometry, respectively. As for the heterotrinuclear species, the iron(II) acetylene, 4.14B[PF6] [{Cp*(dppe)Fe-C C}2-(h 6 – [1,4-napthyl])RuCp*](PF6), [Cp* = h 5 - C5Me5; Fe = FeII] was prepared in high yields with an adapted, regioselective synthesis via the trinuclear vinylidene. Complete characterization, including a crystal structure, of this sandwich complex reveals that the arenophile perturbs the organoiron ligand more in the bis(iron) than in the previously reported mono(iron) case.

In this thesis, I explore model systems for planar atomic and molecular scale electronics on surfaces. The nanoscale systems are experimentally investigated by combining scanning tunneling microscopy (STM) with atomic and molecular manipulation. Furthermore, the on-surface chemical synthesis of molecules, as well as the construction of atomic wires on selected surfaces is applied. Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) molecules play a key role in this work, as they can provide the functionality of the molecular scale devices. In the first part of this work, I investigate different PAH´s on the Au(111) surface. The precursor molecules form supramolecular assemblies and the on-surface synthesis approach to obtain the desired molecular products is used. In particular, bisanthene molecules via a cyclodehydrogenation reaction and the non-alternant polyaromatic hydrocarbon diindenopyrene after a thermally induced debromination followed by selective ring-closure to form a five-membered ring are obtained. An interesting surface for future applications is the passivated silicon Si(001)-(2x1):H. I prepare this surface and characterize the substrate. The surface has a band gap and molecules are electronically decoupled from the semiconducting substrate due to the passivation layer. Furthermore, atomic defects on this substrate, so called dangling bonds (DB´s), have defined electronic states. I show that it is possible to produce DB defects controllably by applying voltage pulses using the tip of the STM and achieve with this method atomic wires with DB´s. The third part of this thesis deals with the investigation of molecular structures on Si(001)-(2x1):H. I present the generation of hexacene by a surface assisted reduction. This result can be generalized for the generation of PAH´s after deoxygenation on passivated silicon and can open new routes to design functional molecules on this substrate. Secondly, one-dimensional chains of acetylbiphenyl (ABP) molecules are explored. They interact via its pi-stacked phenyl rings that are considered as conducting channel. Finally, I demonstrate that a single ABP molecule acts as a switch, as one can reversibly passivate and depassivate a single DB by a hydrogen transfer. In the last part of this work, I test the new low-temperature four-probe STM located at CEMES-CNRS in Toulouse. This machine is constructed for the development of molecular scale devices. For this purposes an atomic precision is needed for all the different tips at the same time and a high stability of this scanning probe microscope must be achieved. I perform a manipulation experiment of molecules to test the necessary submolecular precision. For that reason, supramolecular assemblies of ABP molecules on Au(111) are imaged and manipulated by any of the four tips using the lateral manipulation mode as well as by voltage pulses. The stability of the system is shown, as all tips of the four-probe STM work independently in parallel.:1 Introduction 2 Fundamentals of scanning tunneling microscopy 2.1 The working principle 2.2 Scanning tunneling spectroscopy 2.3 Manipulation modes 2.4 Modeling 3 Experimental setup, materials and methods 3.1 The scanning tunneling microscope 3.2 The Au(111) surface 3.3 Further experimental details 4 On-surface synthesis of molecules 4.1 Introduction 4.2 Generation of a periacene 4.3 Investigating a non-alternant PAH 4.4 Conclusion 5 The passivated silicon surface 5.1 Introduction 5.2 Preparation of passivated silicon 5.3 Characterization of Si(001)-(2x1):H 5.4 Tip-induced formation of dangling bonds 5.5 Conclusion 6 Organic molecules on passivated silicon 6.1 Introduction 6.2 Hexacene generated on passivated silicon 6.3 Acetylbiphenyl on passivated silicon 6.4 Conclusion 7 Testing a low temperature four-probe STM 7.1 Introduction 7.2 The four-probe STM 7.3 Performance test of the four-probe STM on Au(111) 7.4 Manipulation of ABP assemblies 7.5 Conclusion 8 Summary and outlook 9 Appendix 9.1 Dibromo-dimethyl-naphtalene on Au(111) 9.2 Epiminotetracene on Au(111) Bibliography Curriculum vitae Scientific contributions Acknowledgement Statement of authorship / In dieser Arbeit untersuche ich Modellsysteme für planare atomare und molekulare Elektronik auf Oberflächen. Die Systeme auf der Nanoskala werden experimentell durch die Kombination aus Rastertunnelmikroskopie (RTM) und atomarer sowie molekularer Manipulation untersucht. Moleküle werden durch die oberflächenchemische Synthese generiert und atomare Drähte auf ausgewählten Oberflächen hergestellt. Polyzyklisch aromatische Kohlenwasserstoff (PAK) Moleküle spielen bei dieser Arbeit eine Schlüsselrolle, da sie die passiven und aktiven Elemente auf molekularem Maßstab darstellen können. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuche ich verschiedene PAK´s auf der Au(111)-Oberfläche. Die Präkursoren bilden dabei supramolekulare Anordnungen und ich nutze die Oberflächensynthese, um die gewünschten molekulare Produkte zu erhalten. Im Speziellen habe ich Bisanthen-Moleküle über eine Zyklodehydrogenationsreaktion und das nicht-alternierende PAK Diindenopyren erzeugt. Dieses entsteht nach einer thermisch-induzierten Debromierung gefolgt von selektivem Ringschluss, sodass ein fünfgliedriger Ring gebildet wird. Eine interessante Oberfläche für zukünftige Anwendungen ist das passivierte Silizium Si(001)-(2x1):H. Ich habe diese Oberfläche erfolgreich präpariert und das Substrat charakterisiert. Die Oberfläche hat eine Bandlücke und Moleküle sind elektronisch von dem halbleitenden Substrat durch die Passivierungsschicht entkoppelt. Desweiteren haben atomare Defekte dieser Oberfläche, sogenannte Dangling-Bond´s (DB’s), definierte elektronische Zustände innerhalb der Bandlücke. Ich habe DB´s kontrolliert durch Spannungspulse mithilfe der Spitze des RTM erzeugt und stelle so atomare Drähte mit DB Defekten her. Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Untersuchung molekularer Strukturen auf Si(001)-(2x1):H. Die Erzeugung von Hexacen auf passivierten Silizium durch eine oberflächenunterstützte Reduktion wird gezeigt. Dieses Ergebnis ist eine neue Strategie für die Herstellung von PAK´s nach der Deoxygenierung und eröffnet neue Wege um funktionelle Moleküle auf diesem Substrat zu entwerfen. Zweitens zeige ich, dass Acetylbiphenyl (ABP) Moleküle eindimensionale Ketten auf dieser Oberfläche bilden. Diese interagieren über ihre Phenylringe, welche als leitender Kanal gesehen werden können. Zudem kann ein einzelnes ABP Molekül wie ein Schalter genutzt werden, da es reversibel einzelne DB´s durch Wasserstoffübertragung passivieren und depassivieren kann. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das neue Tieftemperatur Vier-Sonden RTM, welches sich in CEMES-CNRS in Toulouse befindet, getestet. Diese Maschine ist für die Herstellung und Untersuchung von Geräten im molekularem Maßstab konstruiert worden. Zu diesem Zweck ist eine atomare Präzision für die verschiedenen Spitzen zur gleichen Zeit erforderlich und eine hohe Stabilität des Rastersondenmikroskops muss gewährleistet sein. Ich führe ein Manipulationsversuch an Molekülen durch, um die notwendige submolekulare Präzision zu testen. Dafür werden supramolekulare Anordnungen von ABP-Molekülen auf Au(111) abgebildet und die Strukturen mit jeder der vier Spitzen im lateralen Manipulationsmodus und durch Spannungpulse bewegt. Damit habe ich die Stabilität des Systems getestet und konnte zeigen, dass alle Spitzen des Systems unabhängig voneinander parallel arbeiten.:1 Introduction 2 Fundamentals of scanning tunneling microscopy 2.1 The working principle 2.2 Scanning tunneling spectroscopy 2.3 Manipulation modes 2.4 Modeling 3 Experimental setup, materials and methods 3.1 The scanning tunneling microscope 3.2 The Au(111) surface 3.3 Further experimental details 4 On-surface synthesis of molecules 4.1 Introduction 4.2 Generation of a periacene 4.3 Investigating a non-alternant PAH 4.4 Conclusion 5 The passivated silicon surface 5.1 Introduction 5.2 Preparation of passivated silicon 5.3 Characterization of Si(001)-(2x1):H 5.4 Tip-induced formation of dangling bonds 5.5 Conclusion 6 Organic molecules on passivated silicon 6.1 Introduction 6.2 Hexacene generated on passivated silicon 6.3 Acetylbiphenyl on passivated silicon 6.4 Conclusion 7 Testing a low temperature four-probe STM 7.1 Introduction 7.2 The four-probe STM 7.3 Performance test of the four-probe STM on Au(111) 7.4 Manipulation of ABP assemblies 7.5 Conclusion 8 Summary and outlook 9 Appendix 9.1 Dibromo-dimethyl-naphtalene on Au(111) 9.2 Epiminotetracene on Au(111) Bibliography Curriculum vitae Scientific contributions Acknowledgement Statement of authorship