Würzburg, Univ., Diss., 2009.

Anhand von Modellsystemen wurde in dieser Arbeit die Bedeutung elastischer Wechselwirkungen an Organik-Metall Grenzflächen, insbesondere für die Selbstorganisierte Ausbildung periodisch facettierter Strukturen, untersucht. Die Änderung der Oberflächenspannung während der Ausbildung der Grenzfläche zwischen 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) und Ag(111) wurde mit der Biegekristalltechnik gemessen. Es ist bekannt, dass dieses System durch eine chemisorptive Bindung bestimmt wird. In der Tat stimmen Vorzeichen und Bedeckungsabhängigkeit mit Vorhersagen und Experimenten aus der Literatur zu chemisorptiv bestimmten Grenzflächen überein. Während der Einbau von Molekülen in große Domänen die Oberflächenspannung verringert, führt das Auftreten von fehlerhaften Domänengrenzen zu einer Erhöhung der Oberflächenspannung. Die absolute Änderung der Oberflächenspannung in der Höhe von (0.30 +- 0.10) N/m ist in der relativ schwachen Wechselwirkung des PTCDA Moleküls mit einem einzelnen Silberatom begründet. Es soll jedoch betont werden, dass dieser Wert einer Oberflächenspannungsänderung von (2.2 +- 0.2) eV pro Molekül entspricht, die damit in derselben Größenordnung wie die vermutete Bindungsenergie des Systems liegt. Daher zeigen diese Experimente, dass elastische Wechselwirkungen eine nicht zu vernachlässigende Rolle in dieser ganzen Materialklasse spielen können. Dadurch tragen die Experimente eine neue Sichtweise zum Verständnis dieser Grenzflächen bei. Ferner etablieren sie die Biegekristalltechnik auf dem ganzen Feld der Organik-Metall Grenzflächen, da die Ergebnisse in Einklang mit den wohlbekannten Eigenschaften des Systems liegen. Schon der Nachweis einer Durchbiegung der Probe ist speziell für die Grenzfläche PTCDA/Ag(111) von Bedeutung. Dieser Effekt ist der erste experimentelle Nachweis einer strukturellen Änderung in den obersten Substratatomlagen während der Adsorption von PTCDA auf Ag(111). Da eine solche Modifikation nicht zu vernachlässigende Konsequenzen für die Interpretation anderer experimenteller Ergebnisse hat, erscheinen weitere Studien mit anderen, quantitativeren strukturellen Methoden notwendig. Der Schwerpunkt dieser Arbeit lag jedoch auf der Untersuchung der Ausbildung der langreichweitigen, selbstorganisierten Ordnung der facettierten PTCDA/Ag(10 8 7) Grenzfläche. Der reziproke Raum dieser Grenzfläche wurde sowohl mit mittelnder hochauflösender Elektronenbeugung (SPA-LEED) als auch mit lokaler Elektronenbeugung in der Mikroskopie niederenergetischer Elektronen (LEEM) kartiert. Außerdem wurden diese reziproken Daten durch mikroskopische LEEM Realraumdaten komplementär ergänzt um die Morphologie der Grenzfläche zu charakterisieren. Für die gewählte Präparationsart, Adsorption der Moleküle auf das 550 K warme Substrat, wurden sechs verschiedene Facettentypen ((111), (532), (743),(954), (13 9 5) und (542)) beobachtet. Diese Facettentypen treten in homogenen, mikrometergroßen Gebieten auf der Oberfläche auf, wie Dunkelfeld-LEEM Aufnahmen zeigen. Wenn jedoch die ursprüngliche mesoskopische Orientierung der Oberfläche lokal von der Durchschnittsorientierung z.B. in Bezug auf die ursprüngliche Stufendichte abweicht, werden an dieser Stelle andere Facettentypen gebildet und damit das ansonsten regelmäßige Muster gestört. Sowohl der Grad der erreichten Ordnung der facettierten Grenzfläche als auch die gebildeten Facettentypen hängen somit stark von der ursprünglichen mesoskopischen Morphologie des sauberen Substrates ab. Um das Verständnis der kinetischen Prozesse zu verbessern wurde die Temperaturabhängigkeit der Ausbildung der Grenzfläche in einem Temperaturbereich zwischen 418 K und 612 K untersucht. Bei niedrigen Wachstumstemperaturen traten zusätzliche, steilere Facetten mit einem Neigungswinkel von 27° gegenüber der (111) Fläche auf. Weiterhin wurde mit facetten-sensitivem Dunkelfeld-LEEM die Größen- sowie die räumliche Verteilung ausgewählter Facettentypen bei den verschiedenen Temperaturen untersucht. Die Nukleationsdichte der Facetten zeigte dabei keine Temperaturabhängigkeit. Eine Diffusionslimitierung der Nukleation kann daher ausgeschlossen werden. Darüber hinaus wurden die Ausmaße der Facetten statistisch ausgewertet. Die absolute Facettengröße folgt einer exponentiellen Verteilung, was auf ein zufallsgetriebenes Wachstum und das Fehlen einer Wechselwirkung der Facetten untereinander hinweist. Während die Facettenlängen ebenso einer exponentiellen Verteilung unterliegen, ist die Breitenverteilung durch ein Maximum ausgezeichnet. Letztere Verteilung spiegelt den hohen Grad an lateraler Ordnung in dem System wieder. Diese Anisotropie hängt von der Temperatur ab und kann bei Substrattemperaturen über 478 K während des Wachstums beobachtet werden. Die Existenz eines Maximums in einer solchen Größenverteilung weist auf eine langreichweitige Wechselwirkung hin, die die strukturelle Ordnung induziert. Die Natur dieser langreichweitigen Wechselwirkung wurde mit drei komplementären in-situ Methoden untersucht, wobei jeweils neue Einblicke in die Ausbildung von facettierten Organik-Metall-Grenzflächen gewonnen werden konnten: Die Biegekristalltechnik, hochauflösende Beugung niederenergetischer Elektronen (SPALEED), sowie deren Mikroskopie (LEEM). Die Biegekristalltechnik wurde das erste Mal überhaupt auf ein facettierendes System angewendet. Unterhalb der kritischen Temperatur des Facettierungsüberganges ähnelt die Oberflächenspannungsänderung während der Bildung der PTCDA/Ag(10 8 7)-Grenzflächenbildung sowohl in funktionaler Abhängigkeit als auch in der Größenordnung der für die Referenzgrenzfläche PTCDA/Ag(111) beobachteten. Oberhalb der Übergangstemperatur beobachtet man jedoch für die ausfacettierte PTCDA/Ag(10 8 7) Grenzfläche mit (0.67 +- 0.10) N/m eine bedeutend größere Oberflächenspannungsänderung als in den vorherigen Fällen. Zudem ändert sich die Oberflächenspannung in klar unterscheidbaren Schritten mit einer eindeutig auflösbaren Feinstruktur aus positiven und negativen Spannungsänderungen. Diese einzelnen Phasen in der Änderung der Oberflächenspannung können Stufen in der Entwicklung der Strukturüberganges dieses Systems zugeordnet werden, die mit den strukturellen Charakterisierungsmethoden beobachtet wurden. Durch diese Identifikation werden morphologischen Objekten, also den Facetten, ein eigener besonderer Spannungscharakter zugeordnet. Somit werden aber auch Spannungsdomänen auf der Oberfläche identifiziert. Die Existenz dieser Spannungsdomänen ist nun aber die Vorraussetzung für die Anwendung von elastizitätsbasierten Kontinuumsbeschreibungen des Selbstordnungseffektes. Daher stellen diese Ergebnisse den ersten experimentellen Nachweis dar, dass diese Kontinuumsbeschreibungen der Selbstorganisation tatsächlich auch auf die gesamte Materialklasse der facettierenden Organik-Metall-Grenzflächen angewendet werden können. Zusammengefasst sind diese Ergebnisse starke Beweise dafür, dass elastische Wechselwirkungen der physikalische Ursprung der langreichweitigen Ordnung dieses Systems sind. Weiterhin legt die eindeutige Korrelation zwischen strukturellem Phasenübergang und Oberflächenspannungsänderung auch nahe, dass letzterer ebenso eine wichtige Rolle in der Kinetik des Systems spielt. Tatsächlich scheint das System zu versuchen die Gesamtänderung der Oberflächenspannung während der Grenzflächenbildung durch die Bildung von Facettentypen positiven und negativen Charakters zu begrenzen. Daher könnte die Art ihres Beitrags zur Oberflächenspannungsänderung darüber entscheiden, ob eine bestimmte Facettenorientierung gebildet wird oder nicht. Auch scheint das System sich bei hohen Bedeckungen unter anderem deshalb erneut umzufacettieren um der Bildung von fehlerhaften Domänengrenzen entgegenzuwirken, die mit einem Anstieg der Oberflächenspannung verbunden wären. Schließlich wurde im Rahmen dieser Arbeit noch das templatunterstützte Wachstum lateraler, heteroorganischer Nanostrukturen untersucht. Dabei wurde ein zweites, typisches molekulares Modellsystem, sogenannte "Selbstassemblierte Monolagen", auf der teilbedeckten PTCDA/Ag(10 8 7) Grenzfläche aufgewachsen. Mit Standardmethoden der Oberflächencharakterisierung konnte nachgewiesen werden, dass die grundlegenden Eigenschaften dieses Wachstumsprinzips im Experiment in der Tat erreicht werden. / The role of elastic interactions, particularly for the self-organized formation of periodically faceted interfaces, was investigated in this thesis for archetype organic-metal interfaces. The cantilever bending technique was applied to study the change of surface stress upon formation of the interface between 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) and Ag(111). This system is known to form a chemisorptive bonding. Indeed, the sign and the coverage-dependence of the surface stress change are in agreement to models and previous measurements of chemisorptive systems in literature. While the adsorption of molecules into the large domains is associated with a negative, i.e. compressive stress change, the formation of domain boundaries in the molecular layer induces a stress change of opposite sign, increasing the surface stress. The magnitude of the surface stress change of (-0.30 +- 0.10} N/m reflects a relatively weak binding of a PTCDA molecule to each individual single silver atom. It is emphasized, however, that if normalized to the surface stress change per molecule, this value corresponds to a stress change of (-2.2 +- 0.2) eV per molecule which is in the order of the suspected binding energy of this system. Therefore, these experiments reveal elastic interactions to be of significant order of magnitude for this system class. Thereby, they add a new point of view to the understanding of these interfaces. Besides, since the results are in agreement with the well-known properties of this interface, they establish the cantilever bending technique in the field of organic-metal interfaces. The mere existence of a bending of the sample implies an interesting detail for the PTCDA/Ag(111) interface in particular. It is the first experimental evidence for a structural change in the topmost substrate layers upon adsorption of PTCDA on Ag(111). Since such a modification has significant implications for the interpretation of other experimental results, a further investigation with more quantitative structural methods appears necessary. The main focus of this work, however, was on the investigation of the formation of the long-range ordered, self-organized faceted PTCDA/Ag(10 8 7) interface. Reciprocal space maps of this interface were recorded both by spot profile analysis low energy electron diffraction (SPA-LEED) and low energy electron microscopy (LEEM) in selected area LEED mode. Complementary to the reciprocal data, also microscopic real-space LEEM data were used to characterize the morphology of this interface. Six different facet faces ((111), (532), (743), (954), (13 9 5), and (542)) were observed for the preparation path of molecular adsorption on the substrate kept at 550 K. Facet-sensitive dark-field LEEM localized these facets to grow in homogeneous areas of microscopic extensions. If the pristine mesoscopic orientation locally deviates from the average orientation, e.g. in pristine step density, locally different facet types are formed, distorting the otherwise regular mesoscopic pattern. Hence, the original mesoscopic orientation of the substrate strongly determines the degree of order of the faceted surface and the facet species formed. The temperature-dependence of the interface formation was studied in a range between 418 K and 612 K in order to learn more about the kinetics of the process. Additional steeper facets of 27° inclination with respect to the (111) surface were observed in the low temperature regime. Furthermore, using facet-sensitive dark-field LEEM, spatial and size distributions of specific facets were studied for the different temperatures. The nucleation density of the facets did not depend on temperature and can therefore be concluded not to be limited by diffusion. Moreover, the facet dimensions were statistically analyzed. The total island size of the facets follows an exponential distribution, indicating a random growth mode in absence of any mutual facet interactions. While the length distribution of the facets also follows an exponential distribution, the width distribution is peaked, reflecting the high degree of lateral order. This anisotropy is temperature-dependent and occurs starting above 478 K substrate temperature during growth. The peaked distribution indicates the presence of a long-range interaction which leads to the structural order of the self-organized grating. The origin of this long-range interaction was investigated combining three complementary in-situ methods, all providing new insights into the formation of faceted organic-metal interfaces: the cantilever bending technique, high-resolution low energy electron diffraction (SPA-LEED), and microscopy (LEEM). The cantilever bending technique was applied for the first time to a faceting system at all. Below the faceting transition temperature the surface stress change associated with the formation of the PTCDA/Ag(10 8 7) interface resembles in shape and magnitude the one observed for the reference interface PTCDA/Ag(111). But above the transition temperature the absolute surface stress change of (-0.67 +- 0.10) N/m observed for the faceted PTCDA/Ag(10 8 7) interface is considerably larger than for the previous cases. Moreover, the stress change happens in distinguishable stages with a clearly resolvable fine structure of regimes of positive and negative stress changes. These different regimes of surface stress change can be correlated to different stages of the structural phase transition observed by the structural in-situ methods. Thereby, morphological objects (i.e. the facets) are assigned to a specific stress character. Thus, domains of different stress character can be identified on the surface. These stress domains are the prerequisite to apply continuum descriptions of the self-ordering process based on elastic interactions. Hence, the results are the first experimental verification that these continuum descriptions are indeed also applicable to the whole system class of faceting organic-metal interfaces. In conclusion, the results provide strong evidence for elastic interactions being the physical origin of long-range order for this system. In addition, the clear correlation of structural phase transition and surface stress change regimes suggests surface stress to play also an important role for the kinetics of the system. Indeed, the system seems to try to limit the overall stress change during the interface formation by forming facets of positive and negative stress character. Hence, the selection of specific facets could depend on the corresponding stress character. Furthermore, the system seems willing to re-facet at high coverages in order to prevent imperfect domain boundaries which are associated with an increase of surface stress. Finally, template-assisted growth of lateral, heterorganic nanostructures has been explored. Therefore, self-assembled monolayers as a second archetype class of molecules were grown on partially covered PTCDA/Ag(10 8 7) interfaces. Indeed, using standard surface science techniques, the basic principle of this growth scheme was confirmed to be successful.

Polyaromatic molecules functionalized with carboxylic groups have served as model systems for the growth of organic semiconducting films on a large variety of substrates. Most non-reactive substrates allow for a growth mode compatible with the bulk phase of the molecular crystal with two molecules in the unit cell, but some more reactive substrates including Ag(111) and Ag(110) can induce substantial changes in the first monolayer (ML). In the specific case of Ag(110), the adsorbate unit cell of both NTCDA and PTCDA resembles a brickwall structure, with a single molecule in the unit cell. From this finding, it can be concluded that the adsorbate-substrate interaction is stronger than typical inter-molecular binding energies in the respective bulk phases. In the present work, the interactions between small Ag(110) clusters and a single NTCDA or PTCDA molecule are investigated with different ab initio techniques. Four major ingredients contribute to the binding between adsorbate and substrate: Directional bonds between Ag atoms in the topmost layer and the oxygen atoms of the molecule, Pauli repulsion between filled orbitals of molecule and substrate, an attractive van-der-Waals interaction, and a negative net charge on the molecule inducing positive image charges in the substrate, resulting therefore in an attractive Coulomb interaction between these opposite charges. As both Hartree-Fock theory and density functional theory with typical gradient-corrected density functional do not contain any long range correlation energy required for dispersion interactions, we compare these approaches with the fastest numerical technique where the leading term of the van-der-Waals interaction is included, i.e. second order Møller-Plesset theory (MP2). Both Hartree-Fock and density functional theories result in bended optimized geometries where the adsorbate is interacting mainly via the oxygen atoms, with the core of the molecule repelled from the substrate. Only at the MP2 level, the inclusion of the major part of the attractive van-der-Waals interaction brings the adsorbate back to an arrangement close to parallel to the substrate, with very small differences in height between the different subunits. With respect to experimental data obtained on Ag(111), the calculated distance between adsorbate and substrate is somewhat smaller, indicating that the open Ag(110) surface interacts more strongly with the organic compounds. This is consistent with the fact that only Ag(110) induces a brickwall unit cell of the adsorbate, a clear sign for a particularly large adsorption energy. The resulting model geometries are analysed in terms of cohesive energy, Mulliken charges, core level shifts, and vibrational properties. / Polyaromatische Moleküle, die mit Carboxylgruppen funktionalisiert wurden, haben als Modellsysteme für das Wachstum von organischen Halbleiterfilmen für eine breite Palette von Substraten gedient. Für die meisten nichtreaktiven Substrate ist ein zum molekularen Kristall kompatibles Wachstum mit zwei Monolagen pro Einheitszelle möglich, jedoch erzeugen reaktivere Substrate wie z.B. Ag(111) oder Ag(110) bereits substanzielle Modifikationen in der ersten Monolage. Im speziellen Fall von Ag(110) bildet die Adsorbateinheitszelle sowohl von NTCDA als auch PTCDA eine sogenannte brickwall structure heraus mit einem einzigen Molekül pro Einheitszelle. Aus dieser Beobachtung kann geschlussfolgert werden, dass die Adsorbat-Substrat-Wechselwirkung stärker ist als die typischen intermolekularen Bindungsenergien in der entsprechenden Bulk-Phase. In der vorliegenden Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen kleinen Ag(110)-Clustern und einem einzelnen NCTDA oder PTCDA-Molekül mit verschiedenen ab initio-Techniken untersucht. Im Wesentlichen tragen vier Hauptbestandteile zur Bindung zwischen Adsorbat und Substrat bei: Gerichtete Bindungen zwischen Ag-Atomen in der obersten Substratschicht und den Sauerstoffatomen des Moleküls, Pauli-Abstoßung zwischen besetzten Orbitalen von Molekül und Substrat, eine anziehende Van-der-Waals-Wechselwirkung sowie einer negativen Ladung des Moleküls und der dazugehörigen positiven Spiegelladung im Substrat, die zu einer anziehenden Coulombwechselwirkung führen. Da weder die Hartree-Fock-Theorie noch die Dichtefunktionaltheorie mit dem typischen gradientenkorrigierten Dichtefunktional die für Dispersionswechselwirkungen benötigte langreichweitige Korrelationsenergie beinhalten, vergleichen wir diese beiden Ansätze mit der schnellsten numerischen Methode, die den dominierenden Term der Van-der-Waals-Wechselwirkung beinhaltet, nämlich der Møller-Plesset-Theorie zweiter Ordnung (MP2). Sowohl die Hartree-Fock-Theorie als auch die Dichtefunktionaltheorie sagen verbogene optimierte Geometrien voraus, die vorwiegend durch die Sauerstoffatome interagieren, wohingegen die zentralen Teile des Moleküls vom Substrat abgestoßen werden. Lediglich die MP2, die den wesentlichen Teil der anziehenden Van-der-Waals-Wechselwirkung beinhaltet, sagt eine beinahe parallele Anordnung des Moleküls an das Substrat voraus, wobei die einzelnen Untereinheiten des Moleküls nur unwesentlich verschiedene Abstände zum Substrat haben. Im Vergleich zu experimentellen Daten für Ag(111) ist die berechnete Distanz zwischen Adsorbat und Substrat etwas kleiner, woraus sich schlussfolgern lässt, dass die offene Ag(110)-Oberfläche stärker mit den organischen Verbindungen interagiert. Das ist im Einklang mit der Tatsache, dass nur Ag(110) die brickwall-Struktur des Adsorbats besitzt, was ein deutliches Zeichen für eine hohe Adsorptionsenergie ist. Die resultierenden Modellgeometrien wurden bezüglich ihrer Kohäsionsenergie, Mullikenladungen, Kernelektronenniveauverschiebungen und vibrationeller Eigenschaften untersucht.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Dresden.

Techn. University, Diss., 2004--Dresden.

Polyaromatic molecules functionalized with carboxylic groups have served as model systems for the growth of organic semiconducting films on a large variety of substrates. Most non-reactive substrates allow for a growth mode compatible with the bulk phase of the molecular crystal with two molecules in the unit cell, but some more reactive substrates including Ag(111) and Ag(110) can induce substantial changes in the first monolayer (ML). In the specific case of Ag(110), the adsorbate unit cell of both NTCDA and PTCDA resembles a brickwall structure, with a single molecule in the unit cell. From this finding, it can be concluded that the adsorbate-substrate interaction is stronger than typical inter-molecular binding energies in the respective bulk phases. In the present work, the interactions between small Ag(110) clusters and a single NTCDA or PTCDA molecule are investigated with different ab initio techniques. Four major ingredients contribute to the binding between adsorbate and substrate: Directional bonds between Ag atoms in the topmost layer and the oxygen atoms of the molecule, Pauli repulsion between filled orbitals of molecule and substrate, an attractive van-der-Waals interaction, and a negative net charge on the molecule inducing positive image charges in the substrate, resulting therefore in an attractive Coulomb interaction between these opposite charges. As both Hartree-Fock theory and density functional theory with typical gradient-corrected density functional do not contain any long range correlation energy required for dispersion interactions, we compare these approaches with the fastest numerical technique where the leading term of the van-der-Waals interaction is included, i.e. second order Møller-Plesset theory (MP2). Both Hartree-Fock and density functional theories result in bended optimized geometries where the adsorbate is interacting mainly via the oxygen atoms, with the core of the molecule repelled from the substrate. Only at the MP2 level, the inclusion of the major part of the attractive van-der-Waals interaction brings the adsorbate back to an arrangement close to parallel to the substrate, with very small differences in height between the different subunits. With respect to experimental data obtained on Ag(111), the calculated distance between adsorbate and substrate is somewhat smaller, indicating that the open Ag(110) surface interacts more strongly with the organic compounds. This is consistent with the fact that only Ag(110) induces a brickwall unit cell of the adsorbate, a clear sign for a particularly large adsorption energy. The resulting model geometries are analysed in terms of cohesive energy, Mulliken charges, core level shifts, and vibrational properties. / Polyaromatische Moleküle, die mit Carboxylgruppen funktionalisiert wurden, haben als Modellsysteme für das Wachstum von organischen Halbleiterfilmen für eine breite Palette von Substraten gedient. Für die meisten nichtreaktiven Substrate ist ein zum molekularen Kristall kompatibles Wachstum mit zwei Monolagen pro Einheitszelle möglich, jedoch erzeugen reaktivere Substrate wie z.B. Ag(111) oder Ag(110) bereits substanzielle Modifikationen in der ersten Monolage. Im speziellen Fall von Ag(110) bildet die Adsorbateinheitszelle sowohl von NTCDA als auch PTCDA eine sogenannte brickwall structure heraus mit einem einzigen Molekül pro Einheitszelle. Aus dieser Beobachtung kann geschlussfolgert werden, dass die Adsorbat-Substrat-Wechselwirkung stärker ist als die typischen intermolekularen Bindungsenergien in der entsprechenden Bulk-Phase. In der vorliegenden Arbeit werden die Wechselwirkungen zwischen kleinen Ag(110)-Clustern und einem einzelnen NCTDA oder PTCDA-Molekül mit verschiedenen ab initio-Techniken untersucht. Im Wesentlichen tragen vier Hauptbestandteile zur Bindung zwischen Adsorbat und Substrat bei: Gerichtete Bindungen zwischen Ag-Atomen in der obersten Substratschicht und den Sauerstoffatomen des Moleküls, Pauli-Abstoßung zwischen besetzten Orbitalen von Molekül und Substrat, eine anziehende Van-der-Waals-Wechselwirkung sowie einer negativen Ladung des Moleküls und der dazugehörigen positiven Spiegelladung im Substrat, die zu einer anziehenden Coulombwechselwirkung führen. Da weder die Hartree-Fock-Theorie noch die Dichtefunktionaltheorie mit dem typischen gradientenkorrigierten Dichtefunktional die für Dispersionswechselwirkungen benötigte langreichweitige Korrelationsenergie beinhalten, vergleichen wir diese beiden Ansätze mit der schnellsten numerischen Methode, die den dominierenden Term der Van-der-Waals-Wechselwirkung beinhaltet, nämlich der Møller-Plesset-Theorie zweiter Ordnung (MP2). Sowohl die Hartree-Fock-Theorie als auch die Dichtefunktionaltheorie sagen verbogene optimierte Geometrien voraus, die vorwiegend durch die Sauerstoffatome interagieren, wohingegen die zentralen Teile des Moleküls vom Substrat abgestoßen werden. Lediglich die MP2, die den wesentlichen Teil der anziehenden Van-der-Waals-Wechselwirkung beinhaltet, sagt eine beinahe parallele Anordnung des Moleküls an das Substrat voraus, wobei die einzelnen Untereinheiten des Moleküls nur unwesentlich verschiedene Abstände zum Substrat haben. Im Vergleich zu experimentellen Daten für Ag(111) ist die berechnete Distanz zwischen Adsorbat und Substrat etwas kleiner, woraus sich schlussfolgern lässt, dass die offene Ag(110)-Oberfläche stärker mit den organischen Verbindungen interagiert. Das ist im Einklang mit der Tatsache, dass nur Ag(110) die brickwall-Struktur des Adsorbats besitzt, was ein deutliches Zeichen für eine hohe Adsorptionsenergie ist. Die resultierenden Modellgeometrien wurden bezüglich ihrer Kohäsionsenergie, Mullikenladungen, Kernelektronenniveauverschiebungen und vibrationeller Eigenschaften untersucht.

We have presented a thorough experimental investigation of electroabsorption spectroscopy on quasi-one-dimensional organic molecular crystals such as PTCDA and MePTCDI vapor deposited thin films to clarify the involvement of the charge-transfer exciton in the lowest excited state. By a self-built experimental setup, two kinds of electroabsorption measurements, called "perpendicular" and "parallel" measurements, were conducted at room temperature in ambient air. The crystalline texture of PTCDA and MePTCDI thin film samples are characterized by X-ray diffraction measurements. Current-voltage, capacitance-frequency and capacitance-voltage measurements are performed to clarify the electric field distribution inside organic layers. The results from electrical measurements show that only under certain conditions (electroabsorption measurements with proDC bias), the perpendicular and parallel electroabsorption meaurements can be directly compared. The electroabsorption spectra of MePTCDI and PTCDA thin films can be interpreted by neither pure Frenkel exciton nor pure charge-transfer exciton model. Essential features of electroabsorption spectra of MePTCDI and PTCDA thin films can be understood by the the mixture of Frenkel and charge-transfer exciton model. However, there is still a discrepancy in the directional properties of electroabsorption signals between experimental results and modle calculations. This small discrepancy suggests that a full interpretation of electroabsorption spectra of quasi-one-dimensional organic molecular crystals needs further experimental and theoretical investigations.

We have presented a thorough experimental investigation of electroabsorption spectroscopy on quasi-one-dimensional organic molecular crystals such as PTCDA and MePTCDI vapor deposited thin films to clarify the involvement of the charge-transfer exciton in the lowest excited state. By a self-built experimental setup, two kinds of electroabsorption measurements, called "perpendicular" and "parallel" measurements, were conducted at room temperature in ambient air. The crystalline texture of PTCDA and MePTCDI thin film samples are characterized by X-ray diffraction measurements. Current-voltage, capacitance-frequency and capacitance-voltage measurements are performed to clarify the electric field distribution inside organic layers. The results from electrical measurements show that only under certain conditions (electroabsorption measurements with proDC bias), the perpendicular and parallel electroabsorption meaurements can be directly compared. The electroabsorption spectra of MePTCDI and PTCDA thin films can be interpreted by neither pure Frenkel exciton nor pure charge-transfer exciton model. Essential features of electroabsorption spectra of MePTCDI and PTCDA thin films can be understood by the the mixture of Frenkel and charge-transfer exciton model. However, there is still a discrepancy in the directional properties of electroabsorption signals between experimental results and modle calculations. This small discrepancy suggests that a full interpretation of electroabsorption spectra of quasi-one-dimensional organic molecular crystals needs further experimental and theoretical investigations.

This thesis deals with exciton relaxation processes in thin polycrystalline films and matrix-isolated molecules of the perylene derivatives PTCDA (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride) and MePTCDI (N,N'-dimethylperylene-3,4,9,10-dicarboximide). Using femtosecond pump-probe spectroscopy, transient absorption spectra, excitonic relaxation in the lowest excited state subsequent to excitation, and exciton-exciton interaction and annihilation at high excitation densities have been addressed. Transient absorption spectroscopy in the range 1.2eV-2.6eV has been applied to thin polycrystalline films of PTCDA and MePTCDI and to solid solutions of PTCDA and MePTCDI molecules (monomers) in a SiO2 matrix. We are able to ascribe the respective signal contributions to ground state bleaching, stimulated emission, and excited state absorption. Both systems exhibit broad excited-state absorption features below 2.0eV, with dominant peaks between 1.8eV and 2.0eV. The monomer spectra can be consistently explained by the results of quantum-chemical calculations on single molecules, and the respective experimental polarization anisotropies for the two major transitions agree with the calculated polarizations. Dimer calculations allow to qualitatively understand the trends visible in the experimental results from monomers to thin films. The broad excited state absorption band between 1.8eV and 2.0eV allows to probe the population dynamics in the first excited state of thin films. We show that excitons created at the Gamma point relax towards the border of the Brillouin zone on a 100fs time scale in both systems. Excitonic relaxation is accelerated by increase of temperature and/or excitation density, which is attributed to stimulated phonon emission during relaxation in k-space. Lower and upper limits of the intraband relaxation time constants are 25fs (resolution limit) and 250fs (100fs) for PTCDA (MePTCDI). These values agree with the upper limit for the intraband relaxation time of 10ps, evaluated from time-resolved luminescence measurements. While the luminescence anisotropy is in full accordance with the predictions made by a luminescence anisotropy model being consistent with the exciton model of Davydov-split states, the pump-probe anisotropy calls for an explanation beyond the models presently available. At excitation densities 10^(19)cm^(-3), the major de-excitation mechanism for the relaxed excitons is exciton-exciton annihilation, resulting in a strongly reduced exciton life time. Three different models for the microscopic behavior have been tested: a diffusion-limited annihilation model in both three and one dimensions (with diffusion constant D as fit parameter) as well as a long-range single-step Förster-type annihilation model (with Förster radius RF as fit parameter). For PTCDA, the latter two, being structurally equivalent, allow to fit a set of multiexponential decay curves for multiple initial exciton densities with high precision. In contrast, the three-dimensional diffusion-limited model is clearly inferior. For all three models, we extract annihilation rates, diffusion constants and diffusion lengths (or Förster radii), for both room and liquid helium temperature. Temperature dependence and orders of magnitude of the obtained parameters D or RF correspond to the expectations. For MePTCDI, the 1D and the Förster model are in good agreement for a smaller interval of excitation densities. For a initial exciton densities higher than 5 x 10^(19)cm^(-3), the 3D model performs significantly better than the other two.

We have measured the optical properties of films of the organic semiconductors PTCDA (3,4:9,10-perylene-tetracarboxylic dianhydride) and HBC (peri-hexabenzocoronene), prepared by Organic Molecular Beam Expitaxy (OMBE), on different substrates by means of Differential Reflectance Spectroscopy (DRS). The optical setup enables us to directly follow the thickness dependent optical properties of the organic films, starting from submonolayer coverage up to thicker films on the order of 20 monolayers (ML) film thickness. Due to the different optical nature of the different substrates used, i.e., mica, glass, Au(111), and HOPG, the direct interpretation of the DRS signal is not feasible. Therefore, we have proposed a method by which the calculation of the optical constants n (index of refraction) and k (absorption index) of thin films on arbitrary substrates from just one spectral measurement (in our case the DRS) becomes possible. The results fulfill a priori a Kramers-Kronig consistency and no specific model is needed to express the spectral behavior of the optical constants. Based on our method, we have successfully calculated the optical constants, and therefore the absorption behavior, of films of different thickness of PTCDA on mica, glass, Au(111), and HOPG, as well as of HBC on mica, glass, and HOPG. Extrinsic effects due to island growth or the presence of a polarizable substrate (screening) have been accounted for. We have introduced a finite dipole model which considers the extended geometry and anisotropy of the organic molecules. The calculated absorption behavior is discussed in great detail in terms of spectral changes with varying film thickness, different growth modes, degree of ordering of the films, interactions with the substrates and oscillator strength. A direct observation of a monomer-dimer transition in solid films could be observed for the first time. Our results indicate an exciton delocalization over about 4 molecules for both molecules.