The present thesis is focused on various methods of controlling electronic and geometrical structure of two-dimensional overlayers adsorbed on metal surfaces exemplified by graphene and hexagonal boron nitride (h-BN) grown on transition metal (TM) substrates. Combining synchrotron-radiation-based spectroscopic and various microscopic techniques with in situ sample preparation, we are able to trace the evolution of overlayer electronic and geometrical properties in overlayer/substrate systems, as well as changes of interfacial interaction in the latter.It is shown that hydrogen uptake by graphene/TM substrate strongly depends on the interfacial interaction between substrate and graphene, and on the geometrical structure of graphene. An energy gap opening in the electronic structure of graphene on TM substrates upon patterned adsorption of atomic species is demonstrated for the case of atomic oxygen adsorption on graphene/TM’s (≥0.35 eV for graphene/Ir(111)). A non-uniform character of adsorption in this case – patterned adsorption of atomic oxygen on graphene/Ir(111) due to the graphene height modulation is verified. A moderate oxidation of graphene/Ir(111) is found largely reversible. Contrary, oxidation of h-BN/Ir(111) results in replacing nitrogen atoms in the h-BN lattice with oxygen and irreversible formation of the B2O3 oxide-like structure.      Pronounced hole doping (p-doping) of graphene upon intercalation with active agents – halogens or halides – is demonstrated, the level of the doping is dependent on the agent electronegativity. Hole concentration in graphene on Ir(111) intercalated with Cl and Br/AlBr3 is as high as ~2×1013 cm-2 and ~9×1012 cm-2, respectively.     Unusual periodic wavy structures are reported for h-BN and graphene grown on Fe(110) surface. The h-BN monolayer on Fe(110) is periodically corrugated in a wavy fashion with an astonishing degree of long-range order, periodicity of 2.6 nm, and the corrugation amplitude of ~0.8 Å. The wavy pattern results from a strong chemical bonding between h-BN and Fe in combination with a lattice mismatch in either [11 ̅1] or [111 ̅] direction of the Fe(110) surface. Two primary orientations of h-BN on Fe(110) can be observed corresponding to the possible directions of lattice match between h-BN and Fe(110).     Chemical vapor deposition (CVD) formation of graphene on iron is a formidable task because of high carbon solubility in iron and pronounced reactivity of the latter, favoring iron carbide formation. However, growth of graphene on epitaxial iron films can be realized by CVD at relatively low temperatures, and the formation of carbides can be avoided in excess of the carbon-containing precursors. The resulting graphene monolayer creates a periodically corrugated pattern on Fe(110): it is modulated in one dimension forming long waves with a period of ~4 nm parallel to the [001] direction of the substrate, with an additional height modulation along the wave crests. The novel 1D templates based on h-BN and graphene adsorbed on iron can possibly find an application in 1D nanopatterning. The possibility for growing high-quality graphene on iron substrate can be useful for the low-cost industrial-scale graphene production.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Strukturierbarkeit ultradünner, funktioneller Polymerfilme anhand von Diazosulfonat-Terpolymer- und Aminoterpolymer-Schichten untersucht. Beide Polymersysteme enthalten eine photoaktive Gruppe in der Seitenkette, die sich durch gezielte UV-Bestrahlung verändern läßt. In den Diazosulfonat-Terpolymeren wird durch die Belichtung die Funktionalität zerstört, während bei den Aminoterpolymeren die Funktionalität durch die Belichtung erst freigelegt wird. Dafür wurden Strukturierungsmethoden für verschiedene Längenskalen erarbeitet und auf ihre Eignung geprüft. Der Nachweis der erfolgreichen Strukturierung wurde durch an die Längenskala angepaßte Methoden geführt und damit die erzeugten Strukturen sichtbar gemacht. Die Veränderungen im optischen Absorptionsverhalten konnten an makroskopischen Probenbereichen nachgewiesen werden. Sowohl der verwendete Aufbau für die Strukturierung (Belichtung) als auch die Detektion mit dem 2-Stahl-Spektrometer erwies sich als geeignet. Es konnte deutlich der Abbau der UV-Absorptionsbande der Diazosulfonat-Terpolymerfilme gezeigt und quantitativ untersucht werden. Dafür wurden Lichtdosen von etwa 0,35 ... 39 nJ/µm² eingebracht und deren Auswirkungen auf die Absorptionsänderung des Polymers direkt festgestellt. Diese Messungen zeigen, daß die eingebrachte Energie und nicht die Leistung (sofern diese unterhalb 2,5 mW liegt) entscheidend für die Modifikation der optischen Eigenschaften dieser Polymere ist. Anhand der Meßergebnisse konnte eine Abschätzung der Quantenausbeute durchgeführt werden, die für die Diazosulfonat-Terpolymerfilme einen Wert von (12 ± 6) % ergab. Auf der Mikrometer-Skala wurden unterschiedliche Ansätze verfolgt, um die optische Strukturierung nachzuweisen. Der Nachweis optischer Modifikationen der Diazosulfonat-Terpolymerfilme wurde nach Belichtung mit hohen Lichtdosen geführt, da er sich nur in diesem Energiebereich mit der erforderlichen Empfindlichkeit realisieren ließ. Für die Aminoterpolymerfilme wurden Strukturen durch Fluoreszenzmarkierung nachgewiesen, welche sich als sehr sensitiv herausstellte. Im Anschluß an die Belichtung konnten topographische Modifikationen mit dem AFM gemessen werden. Mit dem SNOM konnten diese Modifikationen bereits während der Belichtung direkt analysiert werden. Die getesteten Methoden der Raman-Spektroskopie und der Metallisierung mit anschließender Röntgen-Photoelektronenspektroskopie zeigten weder die benötigte Sensitivität noch Selektivität. Die untersuchten Polymersysteme können in Form ultradünner Filme auf unterschiedliche Substrate aufgebracht werden. In diesen Polymerfilmen wurden Strukturen von der Millimeter-Skala bis Nanometer-Skala erzeugt. Anhand von an die Größenskala angepaßten direkten und indirekten Nachweismethoden konnten Veränderungen der optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften der Polymere analysiert werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Strukturierbarkeit ultradünner, funktioneller Polymerfilme anhand von Diazosulfonat-Terpolymer- und Aminoterpolymer-Schichten untersucht. Beide Polymersysteme enthalten eine photoaktive Gruppe in der Seitenkette, die sich durch gezielte UV-Bestrahlung verändern läßt. In den Diazosulfonat-Terpolymeren wird durch die Belichtung die Funktionalität zerstört, während bei den Aminoterpolymeren die Funktionalität durch die Belichtung erst freigelegt wird. Dafür wurden Strukturierungsmethoden für verschiedene Längenskalen erarbeitet und auf ihre Eignung geprüft. Der Nachweis der erfolgreichen Strukturierung wurde durch an die Längenskala angepaßte Methoden geführt und damit die erzeugten Strukturen sichtbar gemacht. Die Veränderungen im optischen Absorptionsverhalten konnten an makroskopischen Probenbereichen nachgewiesen werden. Sowohl der verwendete Aufbau für die Strukturierung (Belichtung) als auch die Detektion mit dem 2-Stahl-Spektrometer erwies sich als geeignet. Es konnte deutlich der Abbau der UV-Absorptionsbande der Diazosulfonat-Terpolymerfilme gezeigt und quantitativ untersucht werden. Dafür wurden Lichtdosen von etwa 0,35 ... 39 nJ/µm² eingebracht und deren Auswirkungen auf die Absorptionsänderung des Polymers direkt festgestellt. Diese Messungen zeigen, daß die eingebrachte Energie und nicht die Leistung (sofern diese unterhalb 2,5 mW liegt) entscheidend für die Modifikation der optischen Eigenschaften dieser Polymere ist. Anhand der Meßergebnisse konnte eine Abschätzung der Quantenausbeute durchgeführt werden, die für die Diazosulfonat-Terpolymerfilme einen Wert von (12 ± 6) % ergab. Auf der Mikrometer-Skala wurden unterschiedliche Ansätze verfolgt, um die optische Strukturierung nachzuweisen. Der Nachweis optischer Modifikationen der Diazosulfonat-Terpolymerfilme wurde nach Belichtung mit hohen Lichtdosen geführt, da er sich nur in diesem Energiebereich mit der erforderlichen Empfindlichkeit realisieren ließ. Für die Aminoterpolymerfilme wurden Strukturen durch Fluoreszenzmarkierung nachgewiesen, welche sich als sehr sensitiv herausstellte. Im Anschluß an die Belichtung konnten topographische Modifikationen mit dem AFM gemessen werden. Mit dem SNOM konnten diese Modifikationen bereits während der Belichtung direkt analysiert werden. Die getesteten Methoden der Raman-Spektroskopie und der Metallisierung mit anschließender Röntgen-Photoelektronenspektroskopie zeigten weder die benötigte Sensitivität noch Selektivität. Die untersuchten Polymersysteme können in Form ultradünner Filme auf unterschiedliche Substrate aufgebracht werden. In diesen Polymerfilmen wurden Strukturen von der Millimeter-Skala bis Nanometer-Skala erzeugt. Anhand von an die Größenskala angepaßten direkten und indirekten Nachweismethoden konnten Veränderungen der optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften der Polymere analysiert werden.