The research presented in this dissertation is focused on the construction of complex molecular structures on planar gold and silicon dioxide surfaces using a variety of surface modification techniques, along with thorough surface characterization at each modification step. The dissertation is structured into six separate chapters. In Chapter 1, an introduction to the importance and implications of molecular level surface modification, commonly employed surface modification methods, and available surface characterization techniques is presented. Chapter 2 shows applications of novel methodologies for the functionalization of gold surfaces using alkane dithiol self-assembled monolayers and thiol-ene click chemistry. The resulting functionalized gold substrates demonstrate higher chemical stability than alkanethiol self-assembled monolayers alone and allow spatially controlled functionalization of gold surfaces with light. In Chapter 3, work on tunable hydrophobic surfaces is presented. These surfaces are prepared using a combination of organosilane chemistry, layer-by-layer polyelectrolyte deposition, and thiol-ene chemistry. These hydrophobic surfaces demonstrate high mechanical and chemical stability, even at low pH (1.68). The pinning of water droplets could be tuned on them by the extent of their thermal treatment. Comprehensive surface characterization using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), spectroscopic ellipsometry, atomic force microscopy, and water contact angles was carried out on the molecular assemblies prepared on gold and silicon dioxide surfaces. Chapters 4 and 5 are focused on the application, data interpretation, and enhancement in sensitivity of different surface characterization methods. In Chapter 4, XPS, ToF-SIMS, and principal components analysis are used to probe a real world corrosion-type problem. This systemic study showed the destruction of a protective coating composed of a nitrilotris(methylene)triphosphonic acid by a low-intensity fluorine plasma. In Chapter 5, enhancement in ToF-SIMS signals is shown via bismuth metal deposition. These surfaces are also probed by spectroscopic ellipsometry using the interference enhancement method. Finally, Chapter 6 concludes this dissertation by describing possible future work.

Zweidimensionale (2D) Übergangsmetalldichalcogenide (TMDCs) gehören zu den attraktivsten neuen Materialien für optoelektronische Bauelemente der nächsten Generation. Um die überlegene Funktionalität der mit TMDCs verbundenen Bauelemente zu realisieren, ist ein umfassendes Verständnis ihrer elektronischen Struktur, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Auswirkungen von Defekten auf die elektronischen Eigenschaften und die Ausrichtung der Energieniveaus (ELA) an den TMDCs-Grenzflächen, unerlässlich, aber derzeit nicht ausreichend. Um einen tieferen Einblick in die elektronischen Eigenschaften von TMDCs und den damit verbundenen Grenzflächen in Kombination mit molekularen Halbleitern (MSCs) zu erhalten, untersuchen wir i) die fundamentale Bandstruktur von Monolagen (ML) TMDCs und die durch Schwefelfehlstellen (SVs) induzierte Renormierung der Bandstruktur, um eine solide Grundlage für ein besseres Verständnis der elektronischen Eigenschaften von polykristallinen dünnen Filmen zu schaffen, und ii) die optoelektronischen Eigenschaften ausgewählter MSC/ML-TMDCs-Grenzflächen. Darüber hinaus wird iii) der Einfluss des Substrats auf die elektronischen Eigenschaften einer MSC/ML-TMDC-Grenzfläche untersucht, um das Bauelementedesign zu steuern. Die Charakterisierung erfolgt hauptsächlich durch winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopie (ARPES), ergänzt durch Photolumineszenz (PL), Raman-Spektroskopie, UV-Vis-Absorption, Rastertransmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM). Unsere Ergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der Auswirkungen von Defekten auf ML-TMDC und verwandte Grenzflächen mit MSCs bei, wobei auch die Auswirkungen der Substrate berücksichtigt werden, und sollten dazu beitragen, unser Verständnis des elektronischen Verhaltens in TMDC-verwandten Geräten zu verbessern. / Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDCs) are amongst the most attractive emerging materials for next-generation optoelectronic devices. To realize the superior functionality of the TMDCs related devices, a comprehensive understanding of their electronic structure, including but not limited to the impact of defects on the electronic properties and energy level alignment (ELA) at TMDCs interfaces, is essential but presently not sufficient. In an attempt to get a deep insight into the electronic properties of TMDCs and the related interfaces combined with molecular semiconductors (MSCs), we investigate i) the fundamental band structure of monolayer (ML) TMDCs and band structure renormalization induced by sulfur vacancies (SVs), in order to provide a solid foundation for a better understanding the electronic properties of polycrystalline thin films and ii) the optoelectronic properties of selected MSC/ML-TMDC interface. In addition, iii) the impact of the substrate on the electronic properties of the MSC/ML-TMDC interface is investigated for guiding device design. The characterization is mainly performed by using angle-resolved photoelectron spectroscopy (ARPES), with complementary techniques including photoluminescence (PL), Raman spectroscopies, UV-vis absorption, scanning transmission electron microscopy (TEM), and atomic force microscopy (AFM) measurements. Our findings contribute to achieving a better understanding of the impact of defects on ML-TMDC and related interfaces with MSCs considering the substrates’ effect and should help refine our understanding of the electronic behavior in TMDC-related devices.

Today there is growing interest within the construction sector to increase the proportion of biobased building materials made from renewable resources. By-products or residuals from wood processing could in this case be valuable resources for manufacturing new types of biocomposites. An important research question related to wood-based biocomposites is how to characterise molecular interactions between the different components in the composite. The hygroscopic character of wood and its water sorption properties are also crucial. Thermal modification (or heat treatment) of wood results in a number of enhanced properties such as reduced hygroscopicity and improved dimensional stability as well as increased resistance to microbiological decay. In this thesis, surface characteristics of thermally modified wood components (often called wood fibres or particles) and influencing effects from moisture sorption have been analysed using a number of material characterisation techniques. The aim is to increase the understanding in how to design efficient material combinations for the use of such wood components in biocomposites. The specific objective was to study surface energy characteristics of thermally modified spruce (Picea abies Karst.) under influences of water vapour sorption. An effort was also made to establish a link between surface energy and surface chemical composition. The surface energy of both thermally modified and unmodified wood components were studied at different surface coverages using inverse gas chromatography (IGC), providing information about the heterogeneity of the surface energy. The water vapour sorption behaviour of the wood components was studied using the dynamic vapour sorption (DVS) method, and their surface chemical composition was studied by means of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Additionally, the morphology of the wood components was studied with scanning electron microscopy (SEM). The IGC analysis indicated a more heterogeneous surface energy character of the thermally modified wood compared with the unmodified wood. An increase of the dispersive surface energy due to exposure to an increased relative humidity (RH) from 0% to 75% RH at 30 ˚C was also indicated for the modified samples. The DVS analysis indicated an increase in equilibrium moisture content (EMC) in adsorption due to the exposure to 75% RH. Furthermore, the XPS results indicated a decrease of extractable and a relative increase of non-extractable compounds due to the exposure, valid for both the modified and the unmodified wood. The property changes due to the increased RH condition and also due to the thermal modification are suggested to be related to alterations in the amount of accessible hydroxyl groups in the wood surface. Recommendations for future work and implications of the results could be related to knowledge-based tailoring of new compatible and durable material combinations, for example when using thermally modified wood components in new types of biocomposites for outdoor applications. / <p>Forskningsfinansiärer och strategiska forskningsprojekt:</p><p>Nils och Dorthi Troëdssons forskningsfond (Projektnr 793/12 Hydro-termo-mekanisk modifiering av trä).</p><p> KTH Royal Institute of Technology.</p><p> COST Action FP0904.</p><p> KK-Stiftelsen.</p><p>Stiftelsen för strategiskt forskning (SSF). QC 20150908</p>

With the increasing importance of hand-held devices with touch displays, the need for flat panel displays (FPDs) will likely increase in the future. Glass is the most important substrate for FPD manufacturing, where both its bulk and surface properties are critical for its performance. Many properties of the glass used in FPDs are controlled by its surface chemistry. Surface hydroxyls are the most important functional groups on a glass surface, which control processes that occurs on oxide surfaces, including wetting, adhesion, electrostatic charging and discharge, and the rate of contamination. In this dissertation, I present a new approach for determining surface silanol densities on planar surfaces. This methodology consists of tagging surface silanols using atomic layer deposition (ALD) followed by low energy ion scattering (LEIS) analysis of the tags. The LEIS signal is limited to the outermost atomic layer, i.e., LEIS is an extremely surface sensitive technique. Quantification in LEIS is straightforward in the presence of suitable reference materials. An essential part of any LEIS measurement is the preparation and characterization of the sample and appropriate reference materials that best represent the samples. My tag-and-count method was applied to chemically and thermally treated fused silica. In this work, I determined the silanol density of a fully hydroxylated fused silica surface to be 4.67 OH/nm2. This value agrees with the literature value for high surface area silica powder. My methodology should be important in future glass studies. Surface Science Spectra (SSS) is an important, peer-reviewed database of spectra from surfaces. Recently, SSS has been expanding to accept spectra from new surface techniques. I created the first SSS submission form for LEIS spectra (see appendix 5), and used it to create the first SSS LEIS paper (on CaF2 and Au reference materials, see chapter 3). I also show LEIS reference spectra for ZnO, and copper in the appendix 1. The rest of my dissertation focuses on my chemometrics/informatics and data analysis work. For example, I showed the performance and capabilities of a series of summary statistics as new tools for unsupervised exploratory data analysis (EDA) (see chapter 4). Unsupervised EDA is often the first step in understanding complex data sets because it can group, and even classify, samples according to their spectral similarities and differences. Pattern recognition entropy (PRE) and other summary statistics are direct methods for analyzing data - they are not factor-based approaches like principal component analysis (PCA) or multivariate curve resolution (MCR). I show that, in general, PRE outperforms the other summary statistics, especially in image analysis, although I recommend a suite of summary statistics be used in exploring complex data sets. In addition, I introduce the concept of divided spectrum-PRE (DS-PRE) as a new EDA method and use it to analyze multiple data sets. DS-PRE increases the discrimination power of PRE. I have also prepared a guide that discusses the vital aspects and considerations for chemometrics/informatics analyses of XPS data along with specific EDA tools that can be used to probe XPS data sets, including PRE, PCA, MCR, and cluster analysis (see chapter 5). I emphasize the importance of an initial evaluation/plotting of raw data, data preprocessing, returning to the original data after a chemometrics/informatics analysis, and determining the number of abstract factors to keep in an analysis, including reconstructing the data using PCA. In my thesis, I also show the analysis of commercial automotive lubricant oils (ALOs) with various chemometrics techniques (see chapter 6). Using these methods, the ALO samples were readily differentiated according to their American Petroleum Institute (API) classification and base oil types: mineral, semi-synthetic, and synthetic.

Advanced polymeric materials, such as polyether ether ketones (PEEK), have been placed as direct substitutes for metals and ceramics in diverse applications, such as the machinery industry and biomedical engineering. Moreover, surface treatments allow the emergence of brand-new properties or the improvement of preexisting ones, such as friction, lubrication, wettability, cellular infiltration, or osseointegration. A paramount approach to achieving topographical modifications is by using laser micro/nanoprocessing techniques such as direct laser interference patterning (DLIP). Herein, PEEK foils are structured with DLIP method using ultrashort pulses. The influence of the pulse duration between 266 fs and 15 ps and the pulse-to-pulse overlap on the resulting surface topography and chemistry is assessed. As a result, well-defined line-like textures with a period of 5.8 μm and aspect ratios up to 0.88 are achieved. Furthermore, it is possible to explore and understand the behavior of surface phenomena such as swelling, increase/decrease of laser–material interaction onset, and laser-induced periodic surface structures formation. A comprehensive topographical and chemical characterization study demonstrates that these distinctive topographical features occur because of multiphoton absorption, incubation effects, and heat accumulation. These phenomena allow structuring polymeric substrates that are low-absorbing and challenging to pattern with conventional nanosecond infrared (IR) laser sources.

Organische Farbstoffe mit einem konjugierten pi-Elektronen System zeigen überwiegend ein halbleitendes Verhalten. Daher sind sie potentielle Materialien für elektronische und optoelektronische Anwendungen. Erste Anwendungen in Flachbildschirmen sind bereits in (noch) geringen Mengen auf dem Markt. Die kontrollierte Dotierung anorganischer Halbleiter bereitete die Basis für den Durchbruch der bekannten Halbleitertechnologie. Die Kontrolle des Leitungstypes und der Lage des Fermi-Niveaus erlaubte es, stabile pn-Übergänge herzustellen. LEDs können daher mit Betriebsspannungen nahe dem thermodynamischen Limit betrieben werden (ca. 2.5V für eine Emission im grünen Spektralbereich). Im Gegensatz dazu bestehen organische Leuchtdioden (OLEDs) typischerweise aus einer Folge intrinsischer Schichten. Diese weisen eine ineffiziente Injektion aus Kontakten und eine relative geringe Leitfähigkeit auf, welche mit hohen ohmschen Verlusten verbunden ist. Andererseits besitzen organische Materialien einige technologische Vorteile, wie geringe Herstellungskosten, große Vielfalt der chemischen Verbindungen und die Möglichkeit sie auf flexible große Substrate aufzubringen. Sie unterscheiden sich ebenso in einigen fundamentalen physikalischen Parametern wie Brechungsindex, Dielektrizitätskonstante, Absorptionskoeffizient und Stokes-Verschiebung der Emissionswellenlänge gegenüber der Absorption. Das Konzept der Dotierung wurde für organische Halbleiter bisher kaum untersucht und angewandt. Unser Ziel ist die Erniedrigung der Betriebsspannung herkömmlicher OLEDs durch den Einsatz der gezielten Dotierung der Transportschichten mit organischen Molekülen. Um die verbesserte Injektion aus der Anode in die dotierte Löchertransportschicht zu verstehen, wurden UPS/XPS Messungen durchgeführt (ultraviolette und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie). Messungen wurden an mit F4-TCNQ dotiertem Zink-Phthalocyanin auf ITO und Gold-Kontakten durchgeführt. Die Schlussfolgerungen aus den Experimenten ist, das (i) die Fermi-Energie sich durch Dotierung dem Transportniveau (also dem HOMO im Falle der vorliegenden p-Dotierung) annähert, (ii) die Diffusionspannung an der Grenzfläche durch Dotierung entsprechend verändert wird, und (iii) die Verarmungszone am Kontakt zum ITO sehr dünn wird. Der Kontakt aus organischem Material und leitfähigem Substrat verhält sich also ganz analog zum Fall der Dotierung anorganischer Halbleiter. Es entsteht ein stark dotierter Schottky-Kontakt dessen schmale Verarmungszone leicht durchtunnelt werden kann (quasi-ohmscher Kontakt). Die Leistungseffizienz von OLEDs mit dotierten Transportschichten konnte sukzessive erhöht werden, vom einfachen 2-Schicht Design mit dotiertem Phthalocyanine als Löchertransportschicht, über einen 3-Schicht-Aufbau mit einer Elektronen-Blockschicht bis zu OLEDs mit dotierten 'wide-gap' Löchertransport-Materialien, mit und ohne zusätzlicher Schicht zur Verbesserung der Elektroneninjektion. Sehr effiziente OLEDs mit immer noch niedriger Betriebsspannung wurden durch die Dotierung der Emissionsschicht mit Molekülen erhöhter Photolumineszenzquantenausbeute (Laser-Farbstoffe) erreicht. Eine optimierte LED-Struktur weist eine Betriebsspannung von 3.2-3.2V für eine Lichtemission von 100cd/m2 auf. Diese Resultate entsprechen den zur Zeit niedrigsten Betriebsspannungen für OLEDs mit ausschließlich im Vakuum aufgedampften Schichten. Die Stromeffizienz liegt bei ca. 10cd/A, was einer Leistungseffizienz bei 100cd/m2 von 10lm/W entspricht. Diese hohe Leistungseffizienz war nur möglich durch die Verwendung einer Blockschicht zwischen der dotierten Transportschicht und der Lichtemissions-Schicht. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Dotierung die Betriebsspannungen von OLEDs senken kann und damit die Leistungseffizienz erhöht wird. Zusammen mit einer sehr dünnen Blockschicht konnte einen niedrige Betriebsspannung bei gleichzeitig hoher Effizienz erreicht werden (Blockschicht-Konzept). / Organic dyes with a conjugated pi-electron system usually exhibit semiconducting behavior. Hence, they are potential materials for electronic and optoelectronic devices. Nowadays, some applications are already commercial on small scales. Controlled doping of inorganic semiconductors was the key step for today's inorganic semiconductor technology. The control of the conduction type and Fermi-level is crucial for the realization of stable pn-junctions. This allows for optimized light emitting diode (LED) structures with operating voltages close to the optical limit (around 2.5V for a green emitting LED). Despite that, organic light emitting diodes (OLEDs) generally consist of a series of intrinsic layers based on organic molecules. These intrinsic organic charge transport layers suffer from non-ideal injection and noticeable ohmic losses. However, organic materials feature some technological advantages for device applications like low cost, an almost unlimited variety of materials, and possible preparation on large and flexible substrates. They also differ in some basic physical parameters, like the index of refraction in the visible wavelength region, the absorption coefficient and the Stokes-shift of the emission wavelength. Doping of organic semiconductors has only been scarcely addressed. Our aim is the lowering of the operating voltages of OLEDs by the use of doped organic charge transport layers. The present work is focused mainly on the p-type doping of weakly donor-type molecules with strong acceptor molecules by co-evaporation of the two types of molecules in a vacuum system. In order to understand the improved hole injection from a contact material into a p-type doped organic layer, ultraviolet photoelectron spectroscopy combined with X-ray photoelectron spectroscopy (UPS/XPS) was carried out. The experimental results of the UPS/XPS measurements on F4-TCNQ doped zinc-phthalocyanine (ZnPc) and their interpretation is given. Measurements were done on the typical transparent anode material for OLEDs, indium-tin-oxide (ITO) and on gold. The conclusion from these experiments is that (i) the Fermi-energy comes closer to the transport energy (the HOMO for p-type doping), (ii) the built-in potential is changed accordingly, and (iii) the depletion layer becomes very thin because of the high space charge density in the doped layer. The junction between a doped organic layer and the conductive substrate behaves rather similar to a heavily doped Schottky junction, known from inorganic semicondcutor physics. This behavior favors charge injection from the contact into the organic semiconductor due to tunneling through a very small Schottky barrier (quasi-ohmic contact). The performance of OLEDs with doped charge transport layers improves successively from a simple two-layer design with doped phthalocyanine as hole transport layer over a three-layer design with an electron blocking layer until OLEDs with doped amorphous wide gap materials, with and without additional electron injection enhancement and electron blocking layers. Based on the experience with the first OLEDs featuring doped hole transport layers, an ideal device concept which is based on realistic material parameters is proposed (blocking layer concept). Very high efficient OLEDs with still low operating voltage have been prepared by using an additional emitter dopant molecule with very high photoluminescence quantum yield in the recombination zone of a conventional OLED. An OLED with an operating voltage of 3.2-3.2V for a brightness of 100cd/m2 could be demonstrated. These results represent the lowest ever reported operating voltage for LEDs consisting of exclusively vacuum sublimed molecular layers. The current efficiency for this device is above 10cd/A, hence, the power efficiency at 100cd/m2 is about 10lm/W. This high power efficiency could be achieved by the use of a blocking layer between the transport and the emission layer.

The thermal atomic layer deposition (ALD) of copper oxide films from the non-fluorinated yet liquid precursor bis(tri-<it>n</it>-butylphosphane)copper(I)acetylacetonate, [(^<it>n</it>Bu₃P)₂Cu(acac)], and wet O₂ on Ta, TaN, Ru and SiO₂ substrates at temperatures of < 160&deg;C is reported. Typical temperature-independent growth was observed at least up to 125&deg;C with a growth-per-cycle of ~ 0.1 &Aring; for the metallic substrates and an ALD window extending down to 100&deg;C for Ru. On SiO₂ and TaN the ALD window was observed between 110 and 125&deg;C, with saturated growth shown on TaN still at 135&deg;C. Precursor self-decomposition in a chemical vapor deposition mode led to bi-modal growth on Ta, resulting in the parallel formation of continuous films and isolated clusters. This effect was not observed on TaN up to about 130&deg;C and neither on Ru or SiO₂ for any processing temperature. The degree of nitridation of the tantalum nitride underlayers considerably influenced the film growth. With excellent adhesion of the ALD films on all substrates studied, the results are a promising basis for Cu seed layer ALD applicable to electrochemical Cu metallization in interconnects of ultralarge-scale integrated circuits.<br> &copy; 2009 The Electrochemical Society. All rights reserved. <br> / Es wird die thermische Atomlagenabscheidung (ALD) von Kupferoxidschichten, ausgehend von der unfluorierten, fl&uuml;ssigen Vorstufenverbindung Bis(tri-<it>n</it>-butylphosphan)kupfer(I)acetylacetonat, [(^<it>n</it>Bu₃P)₂Cu(acac)], sowie feuchtem Sauerstoff, auf Ta-, TaN-, Ru- und SiO₂-Substraten bei Temperaturen < 160&deg;C berichtet. Typisches temperaturunabh&auml;ngiges Wachstum wurde zumindest bis 125&deg;C beobachtet. Damit verbunden wurde f&uuml;r die metallischen Substrate ein Zyklenwachstum von ca. 0.1 &Aring; erzielt sowie ein ALD-Fenster, das f&uuml;r Ru bis zu einer Temperatur von 100&deg;C reicht. Auf SiO₂ und TaN wurde das ALD-Fenster zwischen 110 und 125&deg;C beobachtet, wobei auch bei 135&deg;C noch ges&auml;ttigtes Wachstum auf TaN gezeigt werden konnte. Die selbst&auml;ndige Zersetzung des Precursors &auml;hnlich der chemischen Gasphasenabscheidung f&uuml;hrte zu einem bimodalen Schichtwachstum auf Ta, wodurch gleichzeitig geschlossene Schichten und voneinander isolierte Cluster gebildet wurden. Dieser Effekt wurde auf TaN bis zu einer Temperatur von 130&deg;C nicht beobachtet. Ebensowenig trat er im untersuchten Temperaturbereich auf Ru oder SiO₂ auf. Der Nitrierungsgrad der TaN-Schichten beeinflusste hierbei das Schichtwachstum stark. Mit einer sehr guten Haftung der ALD-Schichten auf allen untersuchten Substratmaterialien erscheinen die Ergebnisse vielversprechend f&uuml;r die ALD von Kupferstartschichten, die f&uuml;r die elektrochemische Kupfermetallisierung in Leitbahnsystemen ultrahochintegrierter Schaltkreise anwendbar sind.

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Organische Farbstoffe mit einem konjugierten pi-Elektronen System zeigen überwiegend ein halbleitendes Verhalten. Daher sind sie potentielle Materialien für elektronische und optoelektronische Anwendungen. Erste Anwendungen in Flachbildschirmen sind bereits in (noch) geringen Mengen auf dem Markt. Die kontrollierte Dotierung anorganischer Halbleiter bereitete die Basis für den Durchbruch der bekannten Halbleitertechnologie. Die Kontrolle des Leitungstypes und der Lage des Fermi-Niveaus erlaubte es, stabile pn-Übergänge herzustellen. LEDs können daher mit Betriebsspannungen nahe dem thermodynamischen Limit betrieben werden (ca. 2.5V für eine Emission im grünen Spektralbereich). Im Gegensatz dazu bestehen organische Leuchtdioden (OLEDs) typischerweise aus einer Folge intrinsischer Schichten. Diese weisen eine ineffiziente Injektion aus Kontakten und eine relative geringe Leitfähigkeit auf, welche mit hohen ohmschen Verlusten verbunden ist. Andererseits besitzen organische Materialien einige technologische Vorteile, wie geringe Herstellungskosten, große Vielfalt der chemischen Verbindungen und die Möglichkeit sie auf flexible große Substrate aufzubringen. Sie unterscheiden sich ebenso in einigen fundamentalen physikalischen Parametern wie Brechungsindex, Dielektrizitätskonstante, Absorptionskoeffizient und Stokes-Verschiebung der Emissionswellenlänge gegenüber der Absorption. Das Konzept der Dotierung wurde für organische Halbleiter bisher kaum untersucht und angewandt. Unser Ziel ist die Erniedrigung der Betriebsspannung herkömmlicher OLEDs durch den Einsatz der gezielten Dotierung der Transportschichten mit organischen Molekülen. Um die verbesserte Injektion aus der Anode in die dotierte Löchertransportschicht zu verstehen, wurden UPS/XPS Messungen durchgeführt (ultraviolette und Röntgen-Photoelektronenspektroskopie). Messungen wurden an mit F4-TCNQ dotiertem Zink-Phthalocyanin auf ITO und Gold-Kontakten durchgeführt. Die Schlussfolgerungen aus den Experimenten ist, das (i) die Fermi-Energie sich durch Dotierung dem Transportniveau (also dem HOMO im Falle der vorliegenden p-Dotierung) annähert, (ii) die Diffusionspannung an der Grenzfläche durch Dotierung entsprechend verändert wird, und (iii) die Verarmungszone am Kontakt zum ITO sehr dünn wird. Der Kontakt aus organischem Material und leitfähigem Substrat verhält sich also ganz analog zum Fall der Dotierung anorganischer Halbleiter. Es entsteht ein stark dotierter Schottky-Kontakt dessen schmale Verarmungszone leicht durchtunnelt werden kann (quasi-ohmscher Kontakt). Die Leistungseffizienz von OLEDs mit dotierten Transportschichten konnte sukzessive erhöht werden, vom einfachen 2-Schicht Design mit dotiertem Phthalocyanine als Löchertransportschicht, über einen 3-Schicht-Aufbau mit einer Elektronen-Blockschicht bis zu OLEDs mit dotierten 'wide-gap' Löchertransport-Materialien, mit und ohne zusätzlicher Schicht zur Verbesserung der Elektroneninjektion. Sehr effiziente OLEDs mit immer noch niedriger Betriebsspannung wurden durch die Dotierung der Emissionsschicht mit Molekülen erhöhter Photolumineszenzquantenausbeute (Laser-Farbstoffe) erreicht. Eine optimierte LED-Struktur weist eine Betriebsspannung von 3.2-3.2V für eine Lichtemission von 100cd/m2 auf. Diese Resultate entsprechen den zur Zeit niedrigsten Betriebsspannungen für OLEDs mit ausschließlich im Vakuum aufgedampften Schichten. Die Stromeffizienz liegt bei ca. 10cd/A, was einer Leistungseffizienz bei 100cd/m2 von 10lm/W entspricht. Diese hohe Leistungseffizienz war nur möglich durch die Verwendung einer Blockschicht zwischen der dotierten Transportschicht und der Lichtemissions-Schicht. Im Rahmen der Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Dotierung die Betriebsspannungen von OLEDs senken kann und damit die Leistungseffizienz erhöht wird. Zusammen mit einer sehr dünnen Blockschicht konnte einen niedrige Betriebsspannung bei gleichzeitig hoher Effizienz erreicht werden (Blockschicht-Konzept). / Organic dyes with a conjugated pi-electron system usually exhibit semiconducting behavior. Hence, they are potential materials for electronic and optoelectronic devices. Nowadays, some applications are already commercial on small scales. Controlled doping of inorganic semiconductors was the key step for today's inorganic semiconductor technology. The control of the conduction type and Fermi-level is crucial for the realization of stable pn-junctions. This allows for optimized light emitting diode (LED) structures with operating voltages close to the optical limit (around 2.5V for a green emitting LED). Despite that, organic light emitting diodes (OLEDs) generally consist of a series of intrinsic layers based on organic molecules. These intrinsic organic charge transport layers suffer from non-ideal injection and noticeable ohmic losses. However, organic materials feature some technological advantages for device applications like low cost, an almost unlimited variety of materials, and possible preparation on large and flexible substrates. They also differ in some basic physical parameters, like the index of refraction in the visible wavelength region, the absorption coefficient and the Stokes-shift of the emission wavelength. Doping of organic semiconductors has only been scarcely addressed. Our aim is the lowering of the operating voltages of OLEDs by the use of doped organic charge transport layers. The present work is focused mainly on the p-type doping of weakly donor-type molecules with strong acceptor molecules by co-evaporation of the two types of molecules in a vacuum system. In order to understand the improved hole injection from a contact material into a p-type doped organic layer, ultraviolet photoelectron spectroscopy combined with X-ray photoelectron spectroscopy (UPS/XPS) was carried out. The experimental results of the UPS/XPS measurements on F4-TCNQ doped zinc-phthalocyanine (ZnPc) and their interpretation is given. Measurements were done on the typical transparent anode material for OLEDs, indium-tin-oxide (ITO) and on gold. The conclusion from these experiments is that (i) the Fermi-energy comes closer to the transport energy (the HOMO for p-type doping), (ii) the built-in potential is changed accordingly, and (iii) the depletion layer becomes very thin because of the high space charge density in the doped layer. The junction between a doped organic layer and the conductive substrate behaves rather similar to a heavily doped Schottky junction, known from inorganic semicondcutor physics. This behavior favors charge injection from the contact into the organic semiconductor due to tunneling through a very small Schottky barrier (quasi-ohmic contact). The performance of OLEDs with doped charge transport layers improves successively from a simple two-layer design with doped phthalocyanine as hole transport layer over a three-layer design with an electron blocking layer until OLEDs with doped amorphous wide gap materials, with and without additional electron injection enhancement and electron blocking layers. Based on the experience with the first OLEDs featuring doped hole transport layers, an ideal device concept which is based on realistic material parameters is proposed (blocking layer concept). Very high efficient OLEDs with still low operating voltage have been prepared by using an additional emitter dopant molecule with very high photoluminescence quantum yield in the recombination zone of a conventional OLED. An OLED with an operating voltage of 3.2-3.2V for a brightness of 100cd/m2 could be demonstrated. These results represent the lowest ever reported operating voltage for LEDs consisting of exclusively vacuum sublimed molecular layers. The current efficiency for this device is above 10cd/A, hence, the power efficiency at 100cd/m2 is about 10lm/W. This high power efficiency could be achieved by the use of a blocking layer between the transport and the emission layer.

Das grundlegende Verständnis der Adsorption, der Eigenschaften, und der Wechselwirkungen von komplexen organischen Molekülen auf Festkörperoberflächen ist für die Entwicklung neuer Anwendungen in der Nanotechnologie von entscheidender Bedeutung. Die in dieser Arbeit untersuchten funktionellen Bausteine gehören zu den Porphyrinen und Phthalocyaninen. Deren Adsorption, elektronische Struktur, und Reaktionen der Moleküle auf Edelmetalloberflächen wurden mit mehreren Methoden charakterisiert, insbesondere der Rastertunnelmikroskopie, Rastertunnelspektroskopie, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie und Photoelektronenspektroskopie, welche zudem durch theoretische Simulationen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie ergänzt wurden. Tetra(p-hydroxyphenyl)porphyrin Moleküle ordnen sich durch Selbstorganisation zu verschiedenen, durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierten Nanostrukturen an, welche in Abhängigkeit von dem Substratoberflächengitter untersucht wurden um das komplizierte Zusammenspiel von Molekül−Molekül und Molekül−Substrat-Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation zu verstehen. Erhitzen der Adsorbatschichten dieses Moleküls führt zu einer schrittweisen Deprotonierung, und außerdem konnte auch ein Schalten der Leitfähigkeit einzelner Porphyrin-Moleküle durch lokale Deprotonierung mittels Spannungspulsen demonstriert werden. Eine Polymerisationsreaktion, welche auf der Ullmann-Reaktion basiert, aber direkt auf einer Oberfläche stattfindet, wurde für Kupfer-octabromotetraphenylporphyrin Moleküle, die auf Au(111) adsorbiert sind, gefunden. Nach einer thermischen Abspaltung der Bromatome von den Molekülen reagieren dabei die Radikalmoleküle bei hohen Temperaturen miteinander und bilden geordnete, kovalent gebundene Netzwerke aus. Die Bromabspaltung und die nachfolgenden Reaktionen und Veränderungen der elektronischen Struktur der Moleküle wurden ausführlich für die Substratoberflächen Au(111) sowie Ag(110) untersucht. Weiterhin, wird die Adsorption und Selbstorganisation von metall-freien Phthalocyanin-Molekülen auf einer Ag(110)-Oberfläche, und deren Selbstmetallierungsreaktion mit Silberatomen des Substrats umfassend und verständlich beschrieben. Zuletzt wurden organische Hybrid-Grenzflächen zwischen verschiedenen Metall-Phthalocyaninen untersucht, wobei ein Ladungstransfer zwischen Kobalt- und Platin-Phthalocyanin-Molekülen gefunden wurde. Dotierung gemischter Metall-Phthalocyanin-Filme durch Einlagerung von Kaliumatomen und deren selektive Adsorption im Molekülgitter führt zu einer deutlichen Veränderung der elektronischen Eigenschaften, aufgrund einer Ladungsübertragung an die Kobalt-Phthalocyanin Moleküle.:List of publications List of abbreviations 1 Introduction 2 Methods 2.1 Scanning tunneling microscopy 2.1.1 Theoretical description 2.1.2 STM imaging modes 2.1.3 Scanning tunneling spectroscopy 2.1.4 Technical aspect of the STM instrument 2.2 Low energy electron diffraction 2.3 Photoelectron spectroscopy 2.3.1 Principle 2.3.2 Theoretical description 2.3.3 Initial state effects 2.3.4 Final state effects 2.3.5 X-ray source 2.3.6 Technical aspects of PES 2.3.7 Resonant Photoelectron spectroscopy 2.4 Near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy 2.4.1 Principle 2.4.2 Polarization dependence 2.5 Density Functional Theory 2.5.1 Fundamental equations 2.5.2 Exchange-correlation functionals 2.5.3 Dispersion correction 2.5.4 Hubbard U correction 2.5.5 Basis set 2.5.6 Grid-based projector augmented wave (GPAW) method 2.6 Fundamentals of epitaxy and growth of molecular films 3 Experimental and computational details 3.1 Experimental setup 3.2 Sample preparation 3.3 Technical details for measurements 3.3.1 STM 3.3.2 PES 3.3.3 NEXAFS 3.4 Computational details 4 Metal-free tetra(p-hydroxylphenyl)porphyrin (H2THPP) 4.1 Interplay of hydrogen bonding and molecule-substrate interaction in self-assembled supra-molecular structures of H2THPP 4.1.1 Adlayer structures of H2THPP on Au(111) 4.1.2 Adlayer structures of H2THPP on Ag(111) 4.1.3 Adlayer structures of H2THPP on Ag(110) 4.1.4 Calculation of the adsorption energies and discussion 4.2 Manipulation of the electronic structure by local reversible dehydrogenation 4.2.1 STM and STS results 4.2.2 Discussion of the interconversion 4.2.3 Dosing of hydrogen gas on H2THPP 4.3 Photoelectron spectroscopy investigation of the temperature-induced deprotonation and substrate-mediated hydrogen transfer 4.3.1 Protonation and deprotonation at nitrogen atoms 4.3.2 Deprotonation at carbon atoms 4.3.3 Evolution of the valence band 4.4 Summary 5 Copper-octabromotetraphenylporphyrin (CuTPPBr8) 5.1 Introduction to surface-confined polymerization 5.2 Adsorption and polymerisation of CuTPPBr8 on Au(111) 5.2.1 XPS investigations 5.2.2 STM investigations of the molecular adlayer 5.2.3 DFT calculations 5.3 Adsorption and temperature-dependence of CuTPPBr8 on Ag(110) 5.3.1 XPS and NEXAFS investigations of CuTPPBr8 on Ag(110) 5.3.2 Adlayer structure and adsorption geometry of CuTPPBr8 on Ag(110) 5.4 Summary 6 Metal-free phthalocyanine (H2Pc) on Ag(110) 6.1 Adlayer structures of H2Pc on Ag(110) 6.2 Self-metalation of H2Pc on Ag(110) with silver surface atoms 6.2.1 Introduction to self-metalation 6.2.2 XPS investigations of the self-metalation 6.2.3 STM results of the self-metalation 6.2.4 DFT simulations of the metalation reaction path 6.3 Summary 7 Charge transfer in metallophthalocyanine blends and doping with potassium atoms 7.1 Charge transfer in platinum phthalocyanine – cobalt phthalocyanine dimers 7.1.1 XPS of PtPc−CoPc dimer layers 7.1.2 Resonant photoelectron spectroscopy of PtPc−CoPc dimer layers 7.2 Potassium doping of copper phthalocyanine − cobalt phthalocyanine mixed films 7.2.1 XPS of CuPc−CoPc mixed layers 7.2.2 UPS of CuPc−CoPc mixed layers 7.2.3 NEXAFS of CuPc−CoPc mixed layers 7.2.4 DFT calculations of the CuPc−CoPc dimer and K doping 7.3 Summary 8 Conclusion and outlook Bibliography Erklärung Lebenslauf Danksagung