Diese Arbeit präsentiert eine vollständige quantenmechanische Beschreibung eines Systems bestehend aus einem Molekül und einem metallischem Nanopartikel (MNP) in der Gegenwart eines Strahlungsfeldes. Zuerst wird ein System aus einem Molekül und einem Gold-MNP betrachtet. Das Emissionsund Absorptionsspektrum zeigt viele scharfe molekulare Schwingungssatelliten auf einem breiten Plasmonmaximum. Eine Verstärkung der Schwingungssatelliten um drei Größenordnungen ist auf effiziente Absorption und Emission durch die MNP zurückzuführen. Dann wird ein System aus einer molekularen Kette mit einem Gold-MNP untersucht. Alle zuvor genannten Phänomene treten auch hier auf, jedoch werden die Schwingungssatelliten durch das Exzitonenband der molekularen Kette ersetzt. Anschließend wird ein Nano-Laser aus vielen Molekülen und einem Gold-MNP betrachtet. Die Moleküle werden durch inkohärentes optisches Pumpen angeregt. Dabei wird eine starke Plasmonanregung durch die gemeinsame Kopplung an die Moleküle erreicht. Die Photonenemission des Lasers zeigt, dass die Intensität ansteigt, während die Linienbreite schmaler wird. Die Korrelationsfunktion in zweiter Ordnung für die Photonen in Verbindung mit der schmaler Emission könnte dabei sogar einen Hinweis auf Lasing geben. Zuletzt wird eine Nanoverbindung aus einem Molekül und zwei sphärischen metallischen Elektroden betrachtet. Das Molekül wird durch den sequentiellen Ladungstransfer angeregt. Durch die Kopplung an die Moleküle werden die Elektrodenplasmonen angeregt. Die Photonenemission der Verbindung zeigt, dass die scharfen molekularen Schwingungssatelliten um das Tausendfache verstärkt werden. Anschließend ist ein System aus zwei pyramidalen Elektroden, die seitlich von zwei Gold-MNP eingeschlossen werden, untersucht. Hier können die Schwingungssatelliten einzeln verstärkt werden, indem der Abstand zwischen den MNP variiert wird. Wir zeigen auch, dass das Lasing in einer Verbindung aus vielen Molekülen theoretisch möglich ist. / This thesis presents a unified quantum description of the combined molecule-metal nano-particle system in the presence of a radiation field. Firstly, a single molecule coupled to a gold nano-sphere is investigated. The emission and absorption spectrum show many sharp molecular vibrational satellites over one broad plasmon peak. The three orders of magnitude enhancement of the vibrational satellites is due to the great ability of the sphere to absorb and emit photons. Secondly, a molecular chain coupled to a gold nano-sphere is investigated. All the phenomena mentioned above appear also for such system, except that the vibrational satellites are replaced by the Frenkel exciton band of the molecular chain. Thirdly, a plasmonic nano-laser consisting of many dye molecules and a gold nano-sphere is considered. The molecules are initially excited by incoherent optical pump. The strong plasmon excitation of the sphere is achieved due to the concerted coupling with the molecules. The emission of the laser shows that the intensity is enlarged while the line-width is reduced. The second-order correlation function of photons together with the emission narrowing can be utilized to determine lasing operation. Finally, a nano-junction formed by a molecule and two spherical metallic leads is investigated. The molecule is excited through sequential electron transfer. The lead plasmons get excited due to the coupling with the excited molecule. The emission of the junction shows that the molecular vibrational satellites are about one thousand times enhanced by the lead plasmons. Then, a junction with two pyramidal metallic leads sandwiched by two gold nano-spheres is investigated. The simulations show that the molecular vibrational satellites can be selectively enhanced by varying the inter-sphere distance. It is also proved that the lasing can be realized by a junction with many molecules.

Die Verwendung einzelner Moleküle als aktive Elemente elektronischer Bauteile wird derzeit als potentielle Alternative zur halbleiterbasierten Nanoelektronik angesehen, da einzelne Moleküle a priori nur einige Nanometer groß sind. Auß erdem kann dabei eventuell eine vereinfachte Verarbeitung und Herstellung der Bauteile erreicht werden. In dieser Arbeit werden das Selbstaggregationsverhalten und die Elektrontransporteigenschaften konjugierter Moleküle mit Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS) an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche und unter Ultrahochvakuumbedingungen bei tiefen Temperaturen untersucht. Ihre mögliche Verwendung in hybrid-molekularen Bauteilen als auch Ansätze für eine mono-molekulare Elektronik werden erkundet. Insbesondere wird die Nano-Phasenseparation von Elektron-Donor-Akzeptor-Multiaden an der Fest-Flüssig-Grenzfläche demonstriert, die zur Integration verschiedener elektronischer Funktionen auf der Nanoskala benutzt werden kann. Desweiteren wird die Abhängigkeit der elektronischen Kopplung scheibenförmiger gestapelter Moleküle vom lateralen Versatz innerhalb des Stapels experimentell nachgewiesen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten die elektronischen Eigenschaften solcher dreidimensionaler Architekturen gezielt zu beeinflussen. Außerdem werden die ersten RTM/RTS-Untersuchungen von Ladungstransferprozessen in einzelnen organischer Donor-Akzeptor-Komplexe präsentiert. Schließlich werden die Ladungstransferkomplexe mit dem Ansatz der Nano-Phasenseparation kombiniert, um den ersten Einzelmolekültransistor mit intergrierten Nanogates zu realisieren. In diesem prototypischen Bauteil wird die Strom-Spannungs-Kennlinie einer hybrid-molekularen Diode, die aus einem Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC) im Tunnelspalt eines RTMs besteht, durch einen kovalent an das HBC gebundenen Ladungstransferkomplex modifiziert. Dies wird als wichtiger Schritt in Richtung einer mono-molekularen Elektronik angesehen. / The use of single molecules as active components in electronic devices is presently considered a potential alternative to semiconductor-based nano-scale electronics since it directly provides precisely-defined nano-scale components for electronic devices which eventually allows for simple processing and devicefabrication. In this thesis the self-assembly and electron transport properties of conjugated molecules are investigated by means of scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at solid-liquid interfaces and under ultrahigh vacuum conditions and low temperatures. The use of the molecules in hybrid-molecular electronic devices and potential approaches to a mono-molecular electronics are explored. In particular, electron-donor-acceptor-multiads are shown to exhibit a nano-phase-segregation at the solid-liquid interface which allows for the integration of different electronic functions at the nano-scale. Furthermore, the dependence of the electronic coupling of stacked disk-like molecules on the lateral off-set in the stack is demonstrated experimentally which offers new possibilities for the control of the electronic properties of these three-dimensional architectures. In addition the first STM/STS experiments on charge transfer in single organic donor-acceptor complexes are presented. Finally, charge transfer complexes are combined with the approach of nano-phase-segregation to realize the first single-molecule transistor with integrated nanometer-sized gates. In this prototypical device the current through a hybrid-molecular diode made from a hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) in the junction of the STM is modified by charge transfer complexes covalently attached to the HBC in the gap. Since the donor which complexes the covalently attached acceptor comes from the ambient fluid the set-up represents a single-molecule chemical field-effect transistor with nanometer-sized gates. This is considered a major step towards mono-molecular electronics.

The synthesis and reaction chemistry of trans-(PPh3)2Pd(C6H4-4-I)(X) (X = I, OTf) is discussed. Treatment of trans- (PPh3)2Pd(C6H4- 4-I)(OTf) with bidentate Lewis-bases (N)N), such as pz, bipy, C5H4N-4-CN, (C6H4-4-CN)2 or C6H4-1,4-CN produces, depending on N)N, mono- or bimetallic species of type [trans- (PPh3)2Pd(C6H4-4-I)(N)N)]+ or [trans-(Ph3P)2(C6H4- 4-I)Pd N)N Pd- (PPh3)2(C6H4-4-I)]2+. These new complexes rearrange in the solution to give [trans-[(Ph3P)2Pd(C6H4-4-PPh3)(N)N)]2+ (N)N = C4H4N2, C5H4N-4-CN, NaC-4-C5H4N) and [trans-[(Ph3P)2(C6H4-4-PPh3)- Pd N)N Pd(PPh3)2(C6H4-4-PPh3)]4+ (N)N = C6H4-1,4-(CN)2, (C6H4-4- CN)2) along with {[(Ph3P)2(Ph3P-4-C6H4)Pd -(µ-I)]2}2+. The mechanism is elucidated. The latter species are rigid-rod structured. The preparation of mono- and homo-bimetallic palladium complexes of type [(Me(O)CS-4-C6H4)(PPh3)2Pd -(N)N)]+ and {[(Me- (O)CS-4-C6H4)(PPh3)2Pd]2(N)N)} 2+ (N)N = pz, bipy, C5H4N-4-CN, (C6H4-4-CN)2, C6H4-1,4-CN) is reported. The formation of the mono- or bimetallic species depends on the size of the Lewis bases N)N. The use of these molecules as molecular wire is discussed. The synthesis of homo-bimetallic palladium molecular wire complexes of type {[(Me(O)CS-4-C6H4-C6H4)(PPh3)2Pd]2(N)N)}2+ is described. The structural aspects of these complexes in the solid-state by single X-ray crystallography is discussed. The synthesis, characterization and electrochemical properties of a new series of homo-bimetallic palladium and platinum complexes of type [Me(O)CS-NCN-M]2(N)N) (NCN = [C6H2(CH2NMe2)2- 2,6)]-) is described. The effect of the para-substituent of the functionalized thio-acetyl NCN ligand on the electrochemical properties of the incorporated platinum center is discussed. The selective synthesis of acetylene and acyl-thiol endcapped heterobimetallic organometallic pi-tweezer of type {[Ti](µ-sigma,pi-CCR)2}CuS-C6H4-4-R ([Ti] = (eta5-C5H4SiMe3)2Ti; R = SiMe3; R = CCH,R = SC(O)Me) succeeds by the reaction of {[Ti](CCR)2}CuCH3 with equimolar amounts of Me(O)CSC6H4-4-CCH or the dithiol C6H4-1,4-(SC(O)Me)2. Binuclear (µ-RSe)(µ sigma,pi CCPh)Fe2(CO)6 can be prepared by treatment of RSe-CCPh (R = Et, nBu, Ph, 2,4,6-Me3C6H2) with Fe2(CO)9 in tetrahydrofuran at room temperature. In solution two isomers exist, depending on the position of the lone-pair of electrons present at selenium (axial or equatorial, respectively). Nucleophilic addition of P(OiC3H7)3 to (µ-RSe)- (µ -sigma,pi CCPh)Fe2(CO)6 affords vinylidene- and dimetallacylobutene- bridged complexes Fe2(CO)6(µ-Se(2,4,6-Me3C6H2)(µ-eta1C=C(Ph)- (P(OiC3H7)3) and [Fe2(CO)6(µ-Se(2,4,6-Me3C6H2)-(µ -eta1:eta1(Ph)C=C- {P(OiC3H7)3). The isolated complexes were characterized by multinuclear NMR (1H, 13C{1H}, and 31P{1H}, elemental analysis, FT-IR, and single x-ray crystallography. / Ein Ziel der Arbeit war die Synthese von trans-(PPh3)2Pd(C6H4-4-I)(X) (X = I, OTf) und Untersuchungen zu dessen Reaktionsverhalten. Die Zugabe von zweizähnigen Lewis-Basen (N)N), wie z.B. pz, pz, bipy, C5H4N-4-CN, (C6H4-4-CN)2 oder C6H4-1,4-CN ergibt, abhängig von (N)N), mono- oder bimetallische Spezies vom Typ [trans-(PPh3)2Pd(C6H4-4-I)(N)N)]+ oder [trans-(Ph3P)2(C6H4-4-I)Pd N)N Pd-(PPh3)2(C6H4-4-I)]2+. Diese in Lösung instabilen Komplexe reagieren weiter zu [trans-[(Ph3P)2Pd(C6H4-4-PPh3)(N)N)]2+ (N)N = C4H4N2, C5H4N- 4-CN, NC-4-C5H4N) oder [trans-[(Ph3P)2(C6H4-4-PPh3)Pd N)N Pd(PPh3)2-(C6H4-4- PPh3)]4+ (N)N = C6H4-1,4-(CN)2, (C6H4-4-CN)2) zusammen mit {[(Ph3P)2(Ph3P-4- C6H4)Pd(µ-I)]2}2+. Der Mechanismus dieser Reaktionsfolge wurde aufgeklärt. Diese Komplexe besitzen eine starre, lineare Struktur, welche unter anderem mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse ermittelt wurde. Weiterhin wird über die Darstellung von mono- und homobimetallischen Palladium-Komplexen vom Typ [(Me(O)CS-4-C6H4)(PPh3)2Pd(N)N)]+ und {[(Me- (O)CS-4-C6H4)(PPh3)2Pd]2(N)N)}2+ (N)N = pz, bipy, C5H4N-4-CN, (C6H4-4-CN)2, C6H4-1,4-CN) berichtet. Die Bildung von homo- oder bimetallischen Spezies hängt von der Größe der Lewis-Base N)N ab. Die Anwendung dieser Moleküle als molekulare Drähte wird, zusammen mit der Festkörperstruktur zweier dieser Komplexe, diskutiert. Die Synthese von homobimetallischen Pd Komplexen vom Typ {[(Me(O)CS-4- C6H4-C6H4)(PPh3)2Pd]2(N)N)}2+ (molekulare Drähte) wird beschrieben. Die strukturellen Aspekte dieser Komplexe im festen Zustand werden diskutiert Die Synthese, Charakterisierung und elektrochemischen Eigenschaften einer neuen Serie von homobimetallischen Pd und Pt Komplexen vom Typ [Me(O)CSNCN- M]2(N)N) (NCN = [C6H2(CH2NMe2)2-2,6)]-) wird beschrieben. Der Effekt des para-Substituenten der funktionalisierten Thioacetyl-NCN Liganden auf die elektrochemischen Eigenschaften des komplexierten Pt wird diskutiert. Die selektive Synthese von Alkinyl- und Thioacetyl-funkionalisierten heterobimetallischen metallorganischen pi-Pinzetten-Komplexen vom Typ {[Ti](µ-sigma,pi-CCR)2}CuS-C6H4-4-CCH und {[Ti](µ-sigma,pi-CCR)2}CuS-C6H4-4-SC(O)Me ([Ti] = (eta5-C5H4SiMe3)2Ti; R = SiMe3, R = tBu) erfolgt durch die Reaktion von {[Ti](CCR)2}CuCH3 (R = SiMe3, R = tBu) mit äquimolaren Mengen an Me(O)CS-1- C6H4-4-CCH oder des Dithiols C6H4-1,4-(SC(O)Me)2. Im Vorgang dieser Reaktion wird Aceton gebildet. Zweikernige (µ-RSe)(µ sigma,pi CCPh)Fe2(CO)6 Komplexe können durch die Umsetzung von RSe-CCPh (R = Et, nBu, Ph, 2,4,6-Me3C6H2) mit Fe2(CO)9 in Tetrahydrofuran bei 20 °C dargestellt werden. In Lösung liegen, in Abhängigkeit von der Position des freien Elektronenpaares am Selen (axial oder äquatorial), zwei Isomere vor. Addition von P(OiC3H7)3 zu (µ-RSe)(µ sigma,pi CCPh)Fe2-(CO)6 ergibt Vinyliden- Fe2(CO)6(µ-Se(2,4,6-Me3C6H2)-(µ-eta1 C=C-(Ph)(P(OiC3H7)3) und Dimetallacyclobuten- verbrückte Komplexe der Art [Fe2(CO)6(µ-Se(2,4,6-Me3C6H2)-(µ-eta1:eta1- (Ph)C=C{P(OiC3H7)3). Die isolierten Komplexe wurden durch die Elementaranalyse, spektroskopisch (1H, 13C{1H}, 31P{1H} NMR; IR) und die Röntgeneinkristallstrukturanalyse charakterisiert.

The synthesis and reaction chemistry of trans-(PPh3)2Pd(C6H4-4-I)(X) (X = I, OTf) is discussed. Treatment of trans- (PPh3)2Pd(C6H4- 4-I)(OTf) with bidentate Lewis-bases (N)N), such as pz, bipy, C5H4N-4-CN, (C6H4-4-CN)2 or C6H4-1,4-CN produces, depending on N)N, mono- or bimetallic species of type [trans- (PPh3)2Pd(C6H4-4-I)(N)N)]+ or [trans-(Ph3P)2(C6H4- 4-I)Pd N)N Pd- (PPh3)2(C6H4-4-I)]2+. These new complexes rearrange in the solution to give [trans-[(Ph3P)2Pd(C6H4-4-PPh3)(N)N)]2+ (N)N = C4H4N2, C5H4N-4-CN, NaC-4-C5H4N) and [trans-[(Ph3P)2(C6H4-4-PPh3)- Pd N)N Pd(PPh3)2(C6H4-4-PPh3)]4+ (N)N = C6H4-1,4-(CN)2, (C6H4-4- CN)2) along with {[(Ph3P)2(Ph3P-4-C6H4)Pd -(µ-I)]2}2+. The mechanism is elucidated. The latter species are rigid-rod structured. The preparation of mono- and homo-bimetallic palladium complexes of type [(Me(O)CS-4-C6H4)(PPh3)2Pd -(N)N)]+ and {[(Me- (O)CS-4-C6H4)(PPh3)2Pd]2(N)N)} 2+ (N)N = pz, bipy, C5H4N-4-CN, (C6H4-4-CN)2, C6H4-1,4-CN) is reported. The formation of the mono- or bimetallic species depends on the size of the Lewis bases N)N. The use of these molecules as molecular wire is discussed. The synthesis of homo-bimetallic palladium molecular wire complexes of type {[(Me(O)CS-4-C6H4-C6H4)(PPh3)2Pd]2(N)N)}2+ is described. The structural aspects of these complexes in the solid-state by single X-ray crystallography is discussed. The synthesis, characterization and electrochemical properties of a new series of homo-bimetallic palladium and platinum complexes of type [Me(O)CS-NCN-M]2(N)N) (NCN = [C6H2(CH2NMe2)2- 2,6)]-) is described. The effect of the para-substituent of the functionalized thio-acetyl NCN ligand on the electrochemical properties of the incorporated platinum center is discussed. The selective synthesis of acetylene and acyl-thiol endcapped heterobimetallic organometallic pi-tweezer of type {[Ti](µ-sigma,pi-CCR)2}CuS-C6H4-4-R ([Ti] = (eta5-C5H4SiMe3)2Ti; R = SiMe3; R = CCH,R = SC(O)Me) succeeds by the reaction of {[Ti](CCR)2}CuCH3 with equimolar amounts of Me(O)CSC6H4-4-CCH or the dithiol C6H4-1,4-(SC(O)Me)2. Binuclear (µ-RSe)(µ sigma,pi CCPh)Fe2(CO)6 can be prepared by treatment of RSe-CCPh (R = Et, nBu, Ph, 2,4,6-Me3C6H2) with Fe2(CO)9 in tetrahydrofuran at room temperature. In solution two isomers exist, depending on the position of the lone-pair of electrons present at selenium (axial or equatorial, respectively). Nucleophilic addition of P(OiC3H7)3 to (µ-RSe)- (µ -sigma,pi CCPh)Fe2(CO)6 affords vinylidene- and dimetallacylobutene- bridged complexes Fe2(CO)6(µ-Se(2,4,6-Me3C6H2)(µ-eta1C=C(Ph)- (P(OiC3H7)3) and [Fe2(CO)6(µ-Se(2,4,6-Me3C6H2)-(µ -eta1:eta1(Ph)C=C- {P(OiC3H7)3). The isolated complexes were characterized by multinuclear NMR (1H, 13C{1H}, and 31P{1H}, elemental analysis, FT-IR, and single x-ray crystallography. / Ein Ziel der Arbeit war die Synthese von trans-(PPh3)2Pd(C6H4-4-I)(X) (X = I, OTf) und Untersuchungen zu dessen Reaktionsverhalten. Die Zugabe von zweizähnigen Lewis-Basen (N)N), wie z.B. pz, pz, bipy, C5H4N-4-CN, (C6H4-4-CN)2 oder C6H4-1,4-CN ergibt, abhängig von (N)N), mono- oder bimetallische Spezies vom Typ [trans-(PPh3)2Pd(C6H4-4-I)(N)N)]+ oder [trans-(Ph3P)2(C6H4-4-I)Pd N)N Pd-(PPh3)2(C6H4-4-I)]2+. Diese in Lösung instabilen Komplexe reagieren weiter zu [trans-[(Ph3P)2Pd(C6H4-4-PPh3)(N)N)]2+ (N)N = C4H4N2, C5H4N- 4-CN, NC-4-C5H4N) oder [trans-[(Ph3P)2(C6H4-4-PPh3)Pd N)N Pd(PPh3)2-(C6H4-4- PPh3)]4+ (N)N = C6H4-1,4-(CN)2, (C6H4-4-CN)2) zusammen mit {[(Ph3P)2(Ph3P-4- C6H4)Pd(µ-I)]2}2+. Der Mechanismus dieser Reaktionsfolge wurde aufgeklärt. Diese Komplexe besitzen eine starre, lineare Struktur, welche unter anderem mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse ermittelt wurde. Weiterhin wird über die Darstellung von mono- und homobimetallischen Palladium-Komplexen vom Typ [(Me(O)CS-4-C6H4)(PPh3)2Pd(N)N)]+ und {[(Me- (O)CS-4-C6H4)(PPh3)2Pd]2(N)N)}2+ (N)N = pz, bipy, C5H4N-4-CN, (C6H4-4-CN)2, C6H4-1,4-CN) berichtet. Die Bildung von homo- oder bimetallischen Spezies hängt von der Größe der Lewis-Base N)N ab. Die Anwendung dieser Moleküle als molekulare Drähte wird, zusammen mit der Festkörperstruktur zweier dieser Komplexe, diskutiert. Die Synthese von homobimetallischen Pd Komplexen vom Typ {[(Me(O)CS-4- C6H4-C6H4)(PPh3)2Pd]2(N)N)}2+ (molekulare Drähte) wird beschrieben. Die strukturellen Aspekte dieser Komplexe im festen Zustand werden diskutiert Die Synthese, Charakterisierung und elektrochemischen Eigenschaften einer neuen Serie von homobimetallischen Pd und Pt Komplexen vom Typ [Me(O)CSNCN- M]2(N)N) (NCN = [C6H2(CH2NMe2)2-2,6)]-) wird beschrieben. Der Effekt des para-Substituenten der funktionalisierten Thioacetyl-NCN Liganden auf die elektrochemischen Eigenschaften des komplexierten Pt wird diskutiert. Die selektive Synthese von Alkinyl- und Thioacetyl-funkionalisierten heterobimetallischen metallorganischen pi-Pinzetten-Komplexen vom Typ {[Ti](µ-sigma,pi-CCR)2}CuS-C6H4-4-CCH und {[Ti](µ-sigma,pi-CCR)2}CuS-C6H4-4-SC(O)Me ([Ti] = (eta5-C5H4SiMe3)2Ti; R = SiMe3, R = tBu) erfolgt durch die Reaktion von {[Ti](CCR)2}CuCH3 (R = SiMe3, R = tBu) mit äquimolaren Mengen an Me(O)CS-1- C6H4-4-CCH oder des Dithiols C6H4-1,4-(SC(O)Me)2. Im Vorgang dieser Reaktion wird Aceton gebildet. Zweikernige (µ-RSe)(µ sigma,pi CCPh)Fe2(CO)6 Komplexe können durch die Umsetzung von RSe-CCPh (R = Et, nBu, Ph, 2,4,6-Me3C6H2) mit Fe2(CO)9 in Tetrahydrofuran bei 20 °C dargestellt werden. In Lösung liegen, in Abhängigkeit von der Position des freien Elektronenpaares am Selen (axial oder äquatorial), zwei Isomere vor. Addition von P(OiC3H7)3 zu (µ-RSe)(µ sigma,pi CCPh)Fe2-(CO)6 ergibt Vinyliden- Fe2(CO)6(µ-Se(2,4,6-Me3C6H2)-(µ-eta1 C=C-(Ph)(P(OiC3H7)3) und Dimetallacyclobuten- verbrückte Komplexe der Art [Fe2(CO)6(µ-Se(2,4,6-Me3C6H2)-(µ-eta1:eta1- (Ph)C=C{P(OiC3H7)3). Die isolierten Komplexe wurden durch die Elementaranalyse, spektroskopisch (1H, 13C{1H}, 31P{1H} NMR; IR) und die Röntgeneinkristallstrukturanalyse charakterisiert.

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 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