This dissertation presents the investigation of magnetic exchange and anisotropy in novel metal-organic complexes containing minimum number of magnetic ions. Such complexes can serve as a model system to understand the exciting magnetic phenomena in such class of materials and also can put forward as candidates for the so called molecular nanomagnets. A direct assessment of the effective magnetic moment and the effective interaction between the metal ions in the complex can be done using magnetization measurements. Here the magnetization studies are performed as a function of temperature and field using a SQUID magnetometer. Yet another powerful tool to characterize and determine the spin levels, the ESR spectroscopic methods, has also been exploited. The study of the dynamical properties of this class of materials was relevant to understand the relaxation mechanism in the low temperatures. For this a new ac susceptometer has been built in house which was another main objective of this dissertation work. The design, fabrication, calibration and automation done on this device is presented in this thesis. The device has been tested using the known molecular magnet Mn12 acetate, and the antiferromagnet Dy2PdSi3. The present work is mainly focused on the magnetic properties of Mn, Ni and Fe based organometallic complexes. The studied Mn dimer with different acceptor and donor ligands exhibit the fine tuning of the electron density at the core of molecular complex by variation in ligands. This in turn shows that the change in peripheral ligands can control the magnetism of the molecule. The influence of the change in Ni-S-Ni bond angle in the magnetic exchange interaction is studied in a Ni(2) dimer and a Ni(2) trimer complex. The Ni dimer complex shows a ferromagnetic interaction (J = -42K) whereas trimer shows an antiferromagnetic interaction (J = 140K). Another Ni based complex bridged via phosphorous has been studied which shows the existence of glassy nature at low temperature. Also a polymeric chain compound based on Fe is studied and presented. All these phosphorous or sulphur bridged complexes are novel materials and these are the first data on these complexes.

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Self-organization is a hot topic as it has the potential to create surface patterns on the nanoscale avoiding cost-intensive top-down approaches. Although chemists have promising results in this area, ion irradiation can create self-organized surface patterns in a more controlled manner. Different regimes of pattern formation under ion irradiation were described so far by 2D models. Here, two new regimes have been studied experimentally, which require modeling in 3D: subsurface point defect kinetics as well as ion impact-induced melt pool formation. This thesis deals with self-organized pattern formation on Ge and Si surfaces under normal incidence irradiation with heavy monatomic and polyatomic ions of energies up to several tens of keV. Irradiation has been performed using liquid metal ion sources in a focused ion beam facility with mass-separation as well as by conventional broad beam ion implantation. Irradiated samples have been analyzed mainly by scanning electron microscopy. Related to the specific irradiation conditions, investigation and discussion of pattern formation has been divided into two parts: (i) formation of Ge morphologies due to point defect kinetics and (ii) formation of Ge and Si morphologies due to melt pool dynamics. Point defect kinetics dominates pattern formation on Ge under irradiation with monatomic ions at room temperature. Irradiation of Ge with Bi and Ge ions at fluences up to 10^17 cm^(-2) has been performed. Comprehensive studies show for the first time that morphologies change from flat surfaces over hole to nanoporous, sponge-like patterns with increasing ion energy. This study is consistent with former irradiations of Ge with a few ion energies. Based on my studies, a consistent, qualitative 3D model of morphology evolution has been developed, which attributes the ion energy dependency of the surface morphology to the depth dependency of point defect creation and relaxation. This model has been proven by atomistic computer experiments, which reproduce the patterns found in real irradiation experiments. At extremely high energy densities deposited by very heavy ions another mechanism dominates pattern formation. The formation of Ge and Si dot patterns by very heavy, monatomic and polyatomic Bi ion irradiation has been studied in detail for the first time. So far, this formation of pronounced dot pattern cannot be explained by any model. Comprehensive, experimental studies have shown that pattern formation on Ge is related to extremely high energy densities deposited by each polyatomic ion locally. The simultaneous impact of several atoms leads to local energy densities sufficient to cause local melting. Heating of Ge substrates under ion irradiation increases the achievable energy density in the collision cascade substantially. This prediction has been confirmed experimentally: it has been found that the threshold for nanomelting can be lowered by substrate heating, which allows pattern formation also under heavy, monatomic ion irradiation. Extensive studies of monatomic Bi irradiation of heated Ge have shown that morphologies change from sponge-like over highly regular dot patterns to smooth surfaces with increasing substrate temperature. The change from sponge-like to dot pattern is correlated to the melting of the ion collision cascade volume, with energy densities sufficient for melt pool formation at the surface. The model of pattern formation on Ge due to extremely high deposited energy densities is not specific to a single element. Therefore, Si has been studied too. Dot patterns have been found for polyatomic Bi ion irradiation of hot Si, which creates sufficiently high energy densities to allow ion impact-induced melt pool formation. This proves that pattern formation by melt pool formation is a novel, general pattern formation mechanism. Using molecular dynamics simulations of project partners, the correlation between dot patterning and ion impact-induced melt pool formation has been proven. The driving force for dot pattern formation due to high deposited energy densities has been identified and approximated in a first continuum description.

In dieser Arbeit ist die Bildung von selbstorganisierten Nanostrukturen auf Galliumantimonid (GaSb) und Germanium (Ge) durch Ionenbeschuss untersucht worden. Zudem sind die auf Ge erhaltenen Lochstrukturen als Template für Silber- und Eisenschichten verwendet worden. Bei der Bestrahlung von GaSb mit Argonionen unter senkrechtem Ioneneinfall bilden sich hexagonal geordnete Punktstrukturen, während bei der Bestrahlung von Ge mit Galliumionen unter senkrechtem Ioneneinfall hexagonal geordnete Lochstrukturen entstehen. Dabei handelt es sich um zueinander inverse Muster. Für diese beiden Materialsysteme sind die Abhängigkeit der sich bildenden Strukturen von der Ionenenergie, dem Fluss, der Fluenz und dem Ioneneinfallswinkel untersucht, und die entstehenden Muster mit theoretischen Modellen verglichen worden. Bei der Bestrahlung von GaSb unter senkrechtem Ioneneinfall steigen charakteristische Länge und Höhe mit der Ionenenergie linear an, bis sie sättigen. Eine Variation des Einfallswinkels der Ar-Ionen führt zu hexagonal geordneten Punktstrukturen, geneigten Punktstrukturen und Rippeln auf GaSb. Das Aspektverhältnis steigt mit dem Winkel an, bis es für die Rippel wieder stark absinkt. Auf Ge bilden sich bei der Bestrahlung mit Ga-Ionen Lochstrukturen, deren Höhe linear mit der Ionenenergie ansteigt und deren charakteristische Länge mit dieser absinkt. Mit steigendem Ioneneinfallswinkel bilden sich aneinander gereihte Lochstrukturen sowie unregelmäßige Muster. Bei den Materialsystemen ist der Anstieg der Ordnung bis zu einer Sättigung mit der Fluenz ebenso wie der Anstieg der Höhe der Strukturen mit der Energie gemeinsam. Für schrägen Ioneneinfall werden gänzlich unterschiedliche Muster erhalten. Zudem ist ein Unterschied im Verhalten der charakteristischen Länge mit der Ionenenergie vorhanden. Ebenso wie die unterschiedlichen Aspektverhältnisse weist dies auf einen Unterschied im Musterbildungsprozess hin. Dieser wird auf Ge von der Vakanzdynamik dominiert, wohingegen auf GaSb das präferentielle Sputtern ausschlaggebend ist. Somit bestimmen die unterschiedlichen Materialeigenschaften von GaSb und Ge den Musterbildungsprozess. Um ein zeitlich entkoppeltes Bestrahlen zu betrachten, wird mit dem Strahl über die Ge-Oberfläche gerastert. Die erhaltenen Muster werden mit denen durch einen stehenden Ionenstrahl entstanden verglichen. Das Rastern des Ionenstrahls hat keinen Einfluss auf die entstehenden Muster. Zudem wird der Fluss bei Bestrahlung der Ge-Oberfläche über vier Größenordnungen variiert. Da der Fluss in allen Termen der Kontinuumsgleichungen enthalten ist, ist kein Einfluss auf die entstehenden Lochstrukturen vorhanden. Bei einer Bestrahlung von Ge mit Ge-Ionen bilden sich ebenfalls Lochstrukturen, die aber keine hexagonale Nahordnung aufweisen. Damit wird eine zweite Komponente, entweder im Substrat oder aus dem Ionenstrahl, benötigt, damit die Strukturen geordnet sind. Diese Lochstrukturen werden im Anschluss mit Silber und Eisen bedampft, um ein unterschiedliches Aufwachsen im Vergleich zu einer planaren Oberfläche zu untersuchen. Bei Verwendung einer vorstrukturierten Oberfläche steigt die Anzahl der Silbercluster aufgrund der größeren Oberfläche an. Eine Vorstrukturierung des Substrats verhindert eine Veränderung der Filmmorphologie eines nahezu geschlossenen Films durch Tempern. Bei Verwendung eines planaren Substrats bilden sich nach dem Tempern Cluster. Beim senkrechten Aufdampfen eines Eisenfilms folgt dieser der Oberfläche. Durch die erhöhte Rauigkeit aufgrund der Vorstrukturierung verändert sich die polare Magnetisierungskomponente. Beim Aufdampfen des Eisens unter streifendem Einfall bilden sich säulenartige Strukturen. Diese sind auf dem vorstrukturierten Substrat größer und haben im Mittel einen größeren Abstand. Diese Säulen weisen eine starke magnetische und magnetooptische Anisotropie auf, die im Anschluss untersucht wird. Die Verwendung des vorstrukturierten Substrats und somit die veränderte Größe der Säulen, beeinflusst die magnetischen Eigenschaften kaum.

This thesis contains experimental studies on low dimensional systems by means of scanning tunneling microscopy (STM). These studies include investigations on dinickel molecular complexes and experiments on iron nanostructures used for the implementation of the spin-polarized scanning tunneling microscopy technique at the IFW-Dresden. Additionally, this work provides detailed information of the experimental technique (STM), from the theoretical background to the STM-construction, which was part of this doctoral work. Molecular anchoring and electronic properties of macrocyclic magnetic complexes on gold surfaces have been investigated by mainly scanning tunneling microscopy and complemented by X-rays photoelectron spectroscopy. Exchange–coupled macrocyclic complexes [Ni2L(Hmba)]+ were deposited via 4-mercaptobenzoate ligands on the surface of Au(111) single crystals. The results showed the success of gold surface-grafted magnetic macrocyclic complexes forming large monolayers. Based on the experimental data, a growth model containing two ionic granular structures was proposed. Spectroscopy measurements suggest a higher gap on the cationic structures than on the anionic ones. Furthermore, the film stability was probed by the STM tip with long-term measurements. This investigation contributes to a new promising direction in the anchoring of molecular magnets to metallic surfaces. Iron nanostructures of two atomic layers and iron-coated tungsten tips were used in order to implement the spin-polarized scanning tunneling microscopy technique at the IFW-Dresden. First of all, a systematic study of the iron growth, from sub-monolayers to multilayers on a W(110) crystal is presented. Subsequent to the well-understanding of the iron growth, the experiments were focused on revealing, for the first time at the IFW-Dresden, the magnetic inner structure of iron nanostructures. The results evidently showed the presence of magnetic domains of irregular shapes. Furthermore, SP-STM probed the bias voltage dependence of the magnetic contrast on the iron nanostructures. This technique opens up a new powerful research line at the IFW-Dresden which is promising for the study of quantum materials as molecular magnets and strongly correlated systems.

Nichtlineare Verzerrungen von Rasterkraftmikroskopie (engl.: scanning probe microscopy, Abk.: SPM) Bildern beeinträchtigen die Qualität von Nanotomographiebildern und SPM Bildsequenzen. In dieser Arbeit wird ein neues, nichtlineares Registrierungsverfahren vorgestellt, das auf einem für medizinische Anwendungen entwickelten Algorithmus aufbaut und diesen für die Behandlung von SPM Daten erweitert. Die nichtlineare Registrierung ermöglicht es, verschiedene nanostrukturierte Materialen über große Bereiche (1 µm x 1 µm) mit einer Auflösung von 10 nm abzubilden. Dies erlaubt eine wesentlich detailliertere quantitative Analyse der Daten. Hierfür wurde eine neue Datenreduktions- und Visualisierungsmethode für Mikrodomänennetzwerke von Blockcopolymeren eingeführt. Zwei- und dreidimensionale Mikrodomänenstrukturen werden zu ihrem Skelett reduziert, Verzweigungspunkte farblich codiert und der entstandene Graph visualisiert. Die Anzahl verschiedener Skelettverzweigungen lässt sich über die Zeit verfolgen. Die Methode wurde mit lokalen Minkowskimaßen der ursprünglichen Graustufenbilder verglichen. Sie liefert morphologische und geometrische Informationen auf unterschiedlichen Längenskalen.

The controlled positioning of DNA nanostructures on technologically relevant surfaces represents a major goal along the route toward the full-scale integration of DNA-based materials into nanoelectronic and sensor devices. Previous attempts to arrange DNA nanostructures into defined arrays mostly relied on top-down lithographic patterning techniques combined with chemical surface functionalization. Here we combine two bottom-up techniques for nanostructure fabrication, i.e., self-organized nanopattern formation and DNA origami self-assembly, in order to demonstrate the electrostatic self-alignment of DNA nanotubes on topographically patterned silicon surfaces. Self-organized nanoscale ripple patterns with periodicities ranging from 20 nm to 50 nm are fabricated by low-energy ion irradiation and serve as substrates for DNA origami adsorption. Electrostatic interactions with the charged surface oxide during adsorption direct the DNA origami nanotubes to the ripple valleys and align them parallel to the ripples. By optimizing the pattern dimensions and the Debye length of the adsorption buffer, we obtain an alignment yield of ~70%. Since this novel and versatile approach does not rely on any chemical functionalization of the surface or the DNA nanotubes, it can be applied to virtually any substrate material and any top-down or bottom-up nanopatterning technique. This technique thus may enable the wafer-scale fabrication of ordered arrays of functional DNA-based nanowires.

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This thesis contains experimental studies on low dimensional systems by means of scanning tunneling microscopy (STM). These studies include investigations on dinickel molecular complexes and experiments on iron nanostructures used for the implementation of the spin-polarized scanning tunneling microscopy technique at the IFW-Dresden. Additionally, this work provides detailed information of the experimental technique (STM), from the theoretical background to the STM-construction, which was part of this doctoral work. Molecular anchoring and electronic properties of macrocyclic magnetic complexes on gold surfaces have been investigated by mainly scanning tunneling microscopy and complemented by X-rays photoelectron spectroscopy. Exchange–coupled macrocyclic complexes [Ni2L(Hmba)]+ were deposited via 4-mercaptobenzoate ligands on the surface of Au(111) single crystals. The results showed the success of gold surface-grafted magnetic macrocyclic complexes forming large monolayers. Based on the experimental data, a growth model containing two ionic granular structures was proposed. Spectroscopy measurements suggest a higher gap on the cationic structures than on the anionic ones. Furthermore, the film stability was probed by the STM tip with long-term measurements. This investigation contributes to a new promising direction in the anchoring of molecular magnets to metallic surfaces. Iron nanostructures of two atomic layers and iron-coated tungsten tips were used in order to implement the spin-polarized scanning tunneling microscopy technique at the IFW-Dresden. First of all, a systematic study of the iron growth, from sub-monolayers to multilayers on a W(110) crystal is presented. Subsequent to the well-understanding of the iron growth, the experiments were focused on revealing, for the first time at the IFW-Dresden, the magnetic inner structure of iron nanostructures. The results evidently showed the presence of magnetic domains of irregular shapes. Furthermore, SP-STM probed the bias voltage dependence of the magnetic contrast on the iron nanostructures. This technique opens up a new powerful research line at the IFW-Dresden which is promising for the study of quantum materials as molecular magnets and strongly correlated systems.

Im Bereich opto-elektronischer Sensortechnik ist ein eindeutiger Trend hin zu immer kleineren Bauelementen und immer spezifischeren Messanwendungen zu erkennen. Plasmonische Materialien auf der Basis von Nanostrukturen bieten sich hierbei hervorragend für dieses Aufgabenfeld an. Deren optische Absorbanzpeaks lassen sich über die geometrischen Parameter der Nanostrukturen einfach und präzise steuern und reagieren äußerst empfindlich auf Brechungsindexänderungen im Umgebungsmedium. Die Herstellung von aufrecht stehenden, teppichartig angeordneten Nanorods auf Basis von anodisierten Aluminiumoxidmatrizen bietet als skalierbares Bottom-up-Verfahren eine einzigartige Kombination aus Prozessgeschwindigkeit, Steuerbarkeit und Kosteneffizienz. In der vorliegenden Dissertation wurde untersucht, wie sich verschiedene Sputterparameter während der Herstellung von Aluminiumdünnschichten auf deren Anodisierungseigenschaften, sowie die anschließende Porenbefüllung und die plasmonischen Eigenschaften des so erzeugten Materials auswirken. Hierzu wurde reines Aluminium bei verschiedenen Sputterleistungen und -raten abgeschieden und hinsichtlich seiner Oberflächenkonfiguration und Prozessierbarkeit im bereits etablierten Nanorodproduktionsverfahren untersucht. Gleichwohl fanden Versuche statt, Aluminiumschichten mit einer schwachen Siliziumlegierung sowie durch reaktives Sputtern mit Sauerstoff voroxidiertes Aluminium zu anodisieren und für die Nanorodherstellung zu nutzen. Als typisches Ergebnis dieser Versuche zeigt sich eine deutliche Verbesserung des Anodisierungs- und Abscheideverhaltens, wenn die Sputterparameter so gewählt werden, dass eine möglichst feinkristalline Schicht abgeschieden wird. Während die Variation der Sputterleistung nur in einer mäßigen Verbesserung und die Siliziumlegierung sogar in einer Verschlechterung der optischen Eigenschaften resultieren, zeigt sich die Sauerstoffzugabe als äußerst vorteilhaft für den Herstellungsprozess sowie die plasmonischen Eigenschaften der fertigen Strukturen. Hierbei weisen Aluminiumschichten mit einem Sauerstoffanteil von 10 22 at.% die gleichmäßigste Anodisierung sowie die schmalsten Plasmonenresonanzpeaks auf, bei gleichzeitig hoher Reproduzierbarkeit. Für derartige Proben konnte eine annähernd vollständige Porenbefüllung erreicht werden. Weiterhin ist die Breite der Plasmonenresonanz hier vergleichbar mit der eines simulierten, defektfreien Nanorodarrays mit perfekt hexagonaler Nanorodanordnung, sodass von einer deutlichen Optimierung gesprochen werden kann, welche nun weitere Untersuchungen an diesem System oder sogar eine großtechnische Produktion ermöglicht Letztendlich offenbart eine quantitative Analyse der Strom-Zeit-Kurve der Anodisierung, dass diese in Form und Ausprägung mit der Güte der plasmonischen Eigenschaften der so produzierten Strukturen korreliert. Somit bietet sich diese als schnelles und günstiges Verfahren zur Qualitätskontrolle in einem sehr frühen Prozessstadium an. / Optical sensing witnesses an increasing trend towards smaller components and more specific applications. Nanostructure-based materials excellently fulfil these kinds of task. Their optical absorbance peaks are easily and precisely controllable by changing the structures‘ geometrical parameters, and have shown to be highly sensitive to refractive index changes of the surrounding medium. The fabrication of free-standing arrays of metallic nanorods based on anodised aluminium oxide matrices as a scalable bottom-up process offers a unique combination of throughput in production, process control and cost efficiency. The scope of the present dissertation thesis is the exploration of different sputtering parameters and techniques for the fabrication of aluminium thin-films, their influence on the anodisation properties as well as subsequent pore filling, and of course the optical properties of the final plasmonic structure. For this, pure aluminium was deposited at different sputtering powers and rates, and was investigated regarding its surface configuration as well as its usability within the well-established nanorod fabrication process. Similarly, attempts were made to anodise aluminium alloyed with small quantities of silicon as well as substoichiometric aluminium oxide, which was prepared by reactive sputtering under partial oxygen pressure. As a typical result of these studies, it was found that a considerable improvement of anodisation and electroplating behaviour could be achieved, provided the sputtering conditions were chosen such that the deposited films\' crystal size becomes as small as possible. While the variation of the sputtering power lead only to a marginal improvement and the silicon admixture even deteriorated the sample quality, the use of partially oxidised aluminium layers proved to be highly advantageous for the fabrication process as well as the plasmonic properties of the final structures. The optimal oxygen content was found to be 10 22 at.%, with these samples showing the most regular anodisation behaviour, the smallest absorbance peak width, and at the same time a high reproducibility. Furthermore, the peak width of these samples is comparable to that of simulated, defect-free nanorod arrays in a perfect hexagonal arrangement. These fabrication parameters can therefore be viewed as highly optimised and well-suited for further investigations of this material or even a large-scale production process. Finally, a quantitative analysis of the current-time-curve of an anodisation process reveals a correlation between its characteristics and the samples’ plasmonic qualities. Hence, the analysis of this curve may be used as a fast and cheap method of quality control at the early stages of the fabrication process.