Three-dimensional topological insulators (TIs) are a class of materials for which the bulk is insulating, while the surface is necessarily metallic. A band inversion that occurs in the presence of spin-orbit coupling, and conduction and valence bands with opposite parities are necessary conditions for the existence of this class of materials. The metallicity of the surface states appears as a consequence of the topology of the bulk and these states are characterized by massless Dirac dispersions and helical spin polarization that protect the surface states against backscattering. The robustness of the topological surface states further implies that they are not destroyed by non-magnetic impurities or defects. Since their initial conception, a vast amount of theoretical studies have predicted very interesting features stemming from the topological surface states. An example of that can be found when breaking the time-reversal symmetry by introducing magnetic order in the system, which can lead to exotic phenomena such as the quantum anomalous Hall effect. The properties exhibited by these systems are expected to be of high importance both in fundamental research as well as in technological applications. However, the major difficulty remains the access to purely topological surface states. The remaining bulk conductivity of the TIs such as Bi2Se3, Bi2Te3 or Sb2Te3 still hinders the experimental realization of some of the predicted phenomena. This highlights the need of high-quality bulk-insulating materials with ultra-clean surfaces and interfaces, which can only be achieved with delicate sample preparation and characterization methods. The present work is part of the effort to fabricate high-quality TI films in a controlled manner. This shall then allow more complex investigations, such as interface effects and possibilities to engineer the band structure of the TIs. The former will be explored mainly in the form of heterostructures of Bi2Te3 and magnetic insulating layers, whereas the latter will focus on the fabrication of Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures. Most of the important properties of the samples are measured under ultra-high vacuum conditions, ensuring reliable results. Furthermore, in situ capping with ordered Te also allows for more sophisticated ex situ experiments. In a first step, the optimization of Bi2Te3 thin films grown on Al2O3 (0001) substrates was explored. Spectroscopic and structural characterization measurements showed that it is possible to obtain consistently bulk-insulating TI films with good structural quality, despite the lattice mismatch between Bi2Te3 and Al2O3 (0001). Magnetoconductance measurements showed a prominent weak anti-localization effect, confirming the existence of two-dimensional surface states. In order to explore the consequences of breaking the time-reversal symmetry characteristic of TIs, Bi2Te3 was interfaced with several ferro- or ferrimagnetic insulating (FI) layers in heterostructures. EuO, Fe3O4, Y3Fe5O12 and Tm3Fe5O12 were chosen as possible candidates. Systematic optimization and characterization studies showed that interfaces of Bi2Te3 and EuO, as well as Fe3O4 on top of Bi2Te3, yield poor quality samples with significant chemical reactions between the layers. Nevertheless, high-quality Bi2Te3 could be grown on Fe3O4 (001), Fe3O4 (111), Y3Fe5O12 (111) and Tm3Fe5O12 (111). Clean interfaces and intact top topological surface states were confirmed by photoemission spectroscopy. Moreover, transport signatures of a gap opening in the topological surface states were found, namely a suppression of the weak anti-localization effect and the observation of the anomalous Hall effect. However, x-ray circular magnetic dichroism (XMCD) was not observed for any of the heterostructures. A key conclusion from this study is that the ferromagnetism induced by the magnetic proximity effect is too weak to be detected by XMCD. On hindsight, one can infer that the magnetic proximity effect cannot be strong since the bonding between the TI and the magnetic insulator substrate is of the van der Waals type, and not covalent like in transition metal oxides or metallic heterostructures. It is known that a charge compensation between electron- and hole-doping can be achieved when combining Bi2Te3 and Sb2Te3, which can also tune the position of the Dirac point. With this goal in mind, the fabrication of ternary (Bi(x)Sb(1−x))2Te3 compounds and Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures was explored in the next step. Although pure Sb2Te3 and (Bi(x)Sb(1−x))2Te3 did not yield good quality samples, the fabrication of Sb2Te3/Bi2Te3 heterostructures emerged as a promising alternative route. Photoelectron spectroscopy allowed not only to identify the crucial role of the first few Sb2Te3 top layers, which modulate the topological surface states, but also to characterize the intermixing of the TI layers at the interface. In a final study, Fe(1+y)Te thin films were grown on MgO (001) substrates employing a Te-limited growth method. This allowed to obtain nominally stoichiometric films, as evidenced by reflection high-energy electron diffraction, x-ray absorption spectroscopy, XMCD and x-ray diffraction measurements. This preliminary study opens the way for the investigation of TI/superconductor interfaces and to delve into the topological superconductivity arising from the proximity effect.

Complex oxides are an intriguing field of solid-state research, as they can exhibit a wide variety of functional properties, such as ferroelasticity, ferroelectricity, ferro- and antiferromagnetism or an even more complicated type of magnetic ordering, the combination or interaction of those ferroic properties (multiferroicity), high spin polarization, or high-temperature superconductivity. Thus they are prospective candidates for future materials in microelectronics. It is a matter of fact that the performance of such oxide-based devices depends mainly on transport properties, which in turn depend on the distribution and density of intrinsic or extrinsic electronic interface states across the device structure. The present thesis focuses on the identification and characterization of such electronic properties by two different photoassisted spectroscopy techniques: surface photovoltage spectroscopy and photoelectron spectroscopy. This work especially deals with perovskite oxides, namely with the model perovskite strontium titanate (SrTiO3) as a substrate and three differently doped lanthanum manganite thin films (10-15 nm thickness) grown by pulsed laser deposition (PLD) on the SrTiO3 substrate(La0.7Sr0.3MnO3, La0.7Ca0.3MnO3, La0.7Ce0.3MnO3). The first part aims at the identification of electronic surface and interface states at the free SrTiO3 surface as well as at the three different lanthanum manganite/SrTiO3 interfaces. For that purpose three different experimental realizations of the surface photovoltage spectroscopy technique were implemented and employed: photoelectron spectroscopy under additional optical excitation, the capacitive detection of the photoinduced displacement current in a parallel-plate capacitor geometry under modulated optical excitation, and the classical Kelvin probe technique. The methods are evaluated comparatively with respect to their suitability to analyze the given oxidic interfaces. The main result of this first part is a map of the energetic positions and relaxation time constants of the surface states at the SrTiO3 surface as well as of the interface states at the lanthanum manganite/SrTiO3 interfaces within the SrTiO3 bandgap. The interface states were classified into film- and substrate-induced states and it could be demonstrated that an appropriate annealing procedure can dramatically decrease their densities. The second part tackles the problem of the manganese valence and the doping type of di- and tetravalent-ion-doped LaMnO3. The question whether the insulating parent compound LaMnO3 becomes an electron-doped semiconductor after doping with tetravalent cations such as Ce4+ - which would be in analogy to the well-established hole doping after partial substitution of La3+ by divalent cations such as Sr2+ or Ca2+ - has been discussed controversially in the literature so far. Due to the physics of the manganite crystal lattice the question can also be formulated in a different way: Can part of the manganese ions be driven from the Mn3+ state towards the Mn2+ state without any crystal instabilities or phase separation phenomena? In order to contribute to the clarification of this question, an extensive X-ray- and UV-photoelectron spectroscopy (XPS/UPS) investigation was performed. The three differently doped lanthanum manganite thin films were comparatively studied considering the exchange splitting of the Mn 3s core level line, which is a linear function of the Mn valence, as measured by XPS and the work function as extracted from UPS. All measurements were performed at different states of deoxygenation after heating in ultrahigh vacuum and reoxidation after heating in a pure oxygen atmosphere. Strong evidence for electron doping of the La0.7Ce0.3MnO3 film after deoxygenation was found. Furthermore, the reversible tunability of the Mn valence by variation of the oxygen content could be demonstrated for both tetravalent- and divalent-ion-doped lanthanum manganite films. / Oxidische Komplexverbindungen können eine Vielzahl an funktionellen Eigenschaften, wie z.B. Ferroelastizität, Ferroelektrizität, Ferro- und Antiferromagnetismus sowie kompliziertere magnetische Ordnungen, die Kombination und Interaktion solcher ferroischer Eigenschaften (Multiferroizität), hohe Spinpolarisation oder Hochtemperatursupraleitung aufweisen und gelten daher als aussichtsreiche Materialien für die zukünftige Mikroelektronik. Entscheidend für die Funktionsfähigkeit oxidischer Bauelemente sind deren elektronische Transporteigenschaften, die in äußerst sensibler Weise von der Verteilung und Dichte von ex- oder intrinsischen elektronischen Defektzuständen an Grenz- und Oberflächen innerhalb der Bauelementstruktur abhängen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Spektroskopie solcher elektronischer Eigenschaften mittels photonenbasierter Methoden. Im Fokus stehen dabei perowskitische Oxide , speziell das Modellperowskit Strontiumtitanat (SrTiO3) als Substrat und darauf mittels gepulster Laserdeposition (PLD) abgeschiedene dünne Filme (10-15 nm Dicke) dotierter Lanthanmanganate (La0.7Sr0.3MnO, La0.7Ca0.3MnO3, La0.7Ce0.3MnO3). Im Rahmen einer halbleiterphysikalischen Interpretation widmet sich der erste Teilder Identifikation elektronischer Ober- und Grenzflächenzustände an der SrTiO3-Oberfläche sowie an verschiedenen Lanthanmanganat/SrTiO3-Grenzflächen mittels dreier unterschiedlicher experimenteller Methoden zur Vermessung der Oberflächenphotospannung: der Photoelektronenspektroskopie unter zusätzlicher optischer Anregung, einer kapazitiven Detektionsmethode in Plattenkondensatorgeometrie unter modulierter optischer Anregung und der optischen Kelvin-Sonde. Neben einem auf die bei oxidischen Ober- und Grenzflächen auftretenden besonderen Herausforderungen zugeschnittenen Methodenvergleich werden Grenzflächenzustände bezüglich ihrer energetischen Position in der Bandlücke des SrTiO3 und ihres Relaxationsverhaltens analysiert, als substrat- oder filminduziert klassifiziert, und die Verringerung ihrer Dichte nach geeigneter Ausheilprozedur wird nachgewiesen. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der in der Literatur bisher kontrovers diskutierten Frage, ob sich die isolierende Stammverbindung LaMnO3 durch Dotierung mit tetravalenten Kationen, wie z.B. Ce4+, in einen elektronendotierten Halbleiter verwandeln lässt - analog zur Herstellung lochdotierter Lanthanmanganate durch Dotierung mit divalenten Kationen, wie z.B. Sr2+ oder Ca2+. Die Frage ist äquivalent zur Betrachtung, ob unter Beibehaltung der Stabilität des Kristallgitters ein Teil der Manganionen vom Mn3+-Zustand in den Mn2+-Zustand übergehen kann. Um einen Beitrag zur Klärung dieses Problems zu leisten, wurden als elektronisch sensitive Methoden die Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopie (XPS/UPS) gewählt. Die oben genannten Lanthanmanganatfilme wurden dazu hinsichtlich der Austauschaufspaltung der Mangan-3s-Linie im XP-Spektrum, die in linearer Weise von der Manganvalenz abhängt, und der anhand der Breite des UP-Spektrums ermittelten Austrittsarbeit jeweils nach Reinigung der Oberfläche im Ultrahochvakuum (UHV) vergleichend untersucht. Die Messungen wurden nach unterschiedlich starker Desoxidation durch Heizen im UHV und Reoxidierung durch Heizen in Sauerstoffatmosphäre durchgeführt. Es konnte nachgewiesen werden, dass eine Elektronendotierung des La0.7Ce0.3MnO3-Films bei geeigneter Einstellung des Sauerstoffgehalts tatsächlich möglich ist. Außerdem wurde gezeigt, dass sich sowohl in di- als auch in tetravalent dotierten Lanthanmanganatfilmen die Manganvalenz und damit der Dotierungstyp reversibel durchstimmen lässt.

In der vorliegenden Dissertation werden die elektronischen Eigenschaften der c(2x2)MnCu/Cu(001) Oberfläche untersucht. Es wird eine Möglichkeit vorgestellt, unter Nutzung verschiedener Symmetrien der Brillouinzonen, Photoemissionsspektren voneinander zu trennen und damit die energetische Position des Mayoritätsspinbandes von Mangan in der c(2x2) Überstruktur zu bestimmen. Es konnte mittels Vergleich zu Rechnungen der Bandstruktur außerdem festgestellt werden, daß Teile des Minoritätsspinbandes besetzt werden. Die Fermioberfläche des c(2x2)MnCu/Cu(001) Systems wurde mittels Photoemission untersucht. Es konnte weiterhin gezeigt werden, daß Kupfer epitaktisch auf dieser Oberfläche aufwächst und weitere c(2x2)MnCu Sequenzen gewachsen werden können, wobei sich auch hier die Manganatome in einem magnetischen Grundzustand befinden. Es wird das Wachstum von Mangan auf Eisen, Kobalt und Nickel analysiert. Dafür werden dünne Eisen-, Kobalt- und Nickelschichten auf einem Kupfer-(001)-Einkristall präpariert und damit eine metastabile flächenzentrierte Oberfläche geschaffen, die wiederum als Substrat für das Mangan dient. Alle diese Zwischenschritte werden von Untersuchungen der elektronischen Eigenschaften mittels Photoemissionsmessungen begleitet, die dazu dienen, Aussagen über die Bandstruktur und die Fermi-Oberfläche zu erhalten. Diese experimentellen Daten werden anschließend mit theoretisch berechneten Daten verglichen und daraus Schlußfolgerungen für den Magnetismus in den einzelnen Systemen getroffen. / This thesis deals about the electronic properties of the c(2x2)MnCu/Cu(001) surface. Under use of different symmetries in the Brillouin zones, a possibility for the separation of photoemission spectra is presented and the energy position of the manganese spin majority band is determined. Furthermore, a comparison with theoretic studies found part of the spin minority band occupied. The Fermi surface of the c(2x2)MnCu/Cu(001) system was analysed. It could be shown, that copper grows epitaxially on top of this surface and a further growth of c(2x2)MnCu sequences is possible with the manganese atoms in a high spin ground state. Further, the growth of manganese on iron, cobalt, and nickel will be investigated. For this purpose thin iron, cobalt, and nickel films are prepared on a copper-(001) crystal and the resulting metastable face centred surface can be used as a substrate for the manganese. All these intermediate steps are accompanied by investigations of the electronic properties using photoemission, that give an insight in the band structure and the Fermi surface. The experimental data will be compared to theory and some conclusions about the magnetism of the systems can be drawn.

Reine und dotierte SnO2 Feinstpulver und Einkristalle wurden mit verschiedenen Methoden hergestellt. Die Abhängigkeit der Eigenschaften von der Dotierungsart und der Dotierungskonzentration wurde untersucht. Die Dotierung mit fünfwertigen Elementen (Sb, Nb) führt zur Erniedrigung des spezifischen elektrischen Widerstandes und die Dotierung mit dreiwertigen Elementen (z.B. In) zu seiner Erhöhung. An den dotierten Materialien kann mittels XPS eine Segregationsschicht nachgewiesen werden. Der Umfang dieser Schicht ist abhängig sowohl von dem Dotierungselement, als auch von den Herstellungsbedingungen (z.B. Temperatur und Temperungszeit). Für die Pulver wird, im Gegensatz zu den Einkristallen, kein thermodynamisches Gleichgewicht für Segregationsprozess im untersuchten Zeitfenster gefunden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Model vorgestellt, dass es erlaubt, die Dicke der Segregationsschicht, als auch der verbleibenden Volumenkonzentration der Dotierungselement im SnO2 Kristallit zu berechnen. Die Volumenkonzentration beträgt in Abhängigkeit von der Dotierungsart und Temperatur bis zu 70% der gesamten Dotierungskonzentration. Die sich ausbildende Segregationsschicht erreicht einen Bedeckungsgrad von bis zu einer Monolage. Die Aktivierungsenergie der Diffusion, sowie die freie Enthalpie des Segregationsprozesses können für die hier untersuchten Dotierungselemente in SnO2 bestimmt werden.

In dieser Arbeit wurden Ergebnisse einer Analyse der elektronischen Struktur in Sr2CuO2Cl2 mittels winkelaufgelöster Photoemission dargelegt. Sie betreffen i) Sr2CuO2Cl2 als Untersuchungsgegenstand für die Grundlagenforschung an Hochtemperatursupraleitern (HTSL), ii) winkelaufgelöste Photoemission als Untersuchungsmethode zur Messung der elektronischen Struktur von HTSL und deren Muttersubstanzen, iii) Eigenschaften der elektronische Anregungen in Sr2CuO2Cl2 in unmittelbarer Nähe des chemischen Potenzials, sowie iv) das durch Korrelationen stark beeinflusste Dotierungsverhalten der Kuprate. 1. Sr2CuO2Cl2 eignet sich Dank seiner exakten Stöchiometrie und der strukturell perfekten Kupfer-Sauerstoff Ebenen hervorragend als Untersuchungssubstanz für die isolierende Phase der HTSL. 2. Mittels winkelaufgelöster Photoemission ist es möglich, die k-Raum- und Energieverteilung (Dispersion) von Anregungen nahe des chemischen Potenzials in Sr2CuO2Cl2 auszumessen. Dabei wurde eine starke Abhängigkeit der Intensität des Photoemissionssignales in Abhängigkeit von der Photonenenergie beobachtet. Es konnte nachgewiesen werden, dass sich diese Intensitätsoszillationen mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Bragg-Interferenz der Photoelektronenewelle an der Schichtstruktur von Sr2CuO2Cl2 erklären und weiterhin, dass die gemessenen Dispersionskurven, von einer willkürlichen Normierung der Intensität abgesehen, unabhängig von der verwendeten Photoenenenergie sind. 3. Die Photoemissionsspektren von Sr2CuO2Cl2 zeigen die für Ladungstransfer-Isolatoren charakteristische Aufteilung des spektralen Gewichts (der besetzten Elektronenstruktur) in ein unteres Hubbardband, bindende und nichtbindende Sauerstoffbänder und der ZR-Singlet Struktur. Dabei konnte das untere Hubbardband identifiziert werden durch seine durch Resonanz hervorgerufene Intensitätsverstärkung (und dem daraus resultierenden d8-Charakter dieser Struktur), die Sauerstoffbänder und die ZR-Singlet Struktur durch eine Analyse ihres Symmetrieverhaltens unter Berücksichtigung der Polarisationsabhängigkeit des Photoemissionssignales. Das ZR-Singlet besitzt eine a1g-Symmetrie was sowohl die Konstruktion des ZR-Singlets nach Zhang und Rice als auch die Ergebnisse der Diagonalisierung der isolierten, mit zwei Löchern besetzten Plakette bestätigt. 4. Die Dispersion des ZR-Singlets ist parabolisch entlang Gamma-(Pi,Pi) mit einem absoluten Bindungsenergieminimum bei (0.5Pi,0.5Pi) und parabolisch entlang Gamma-(Pi,0) mit einem lokalen Bindungsenergieminimum bei (0.7Pi,0). Die Bandbreite entlang dieser beiden Richtungen beträgt etwa 300 meV beziehungsweise 200 meV, der Abstand der beiden minimalen Bindungsenergien entlang dieser Richtungen ist 72 meV. Das Spektralgewicht des ZR-Singlets ist keilförmig verteilt mit einem Maximum bei (0.5Pi,0.5Pi) und (0.7Pi,0), also jeweils in unmittelbarer Nähe der minimalen Bindungsenergien dieser Struktur. Es verschwindet bei Gamma und (Pi,Pi), hat jedoch einen endlichen Wert bei (Pi,0). Der Vergleich dieser Resultate favorisiert das erweiterte t-J-Modell zur Beschreibung der Dynamik des ZR-Singlets. Insbesondere i) die parabolische Dispersion des ZR-Singlets entlang Gamma-(Pi,Pi), ii) der geringe aber endliche energetische Abstand der Bindungsenergie-Minima entlang Gamma-(Pi,Pi) und Gamma-(Pi,0) und iii) die keilförmige Verteilung des Spektralen Gewichts entlang Gamma-(Pi,0) sind die experimentellen Indizien dafür. / A detailed ARPES study of the low binding-energy occupied electronic structure of Sr2CuO2Cl2 has been done. It corresponds to an investigation of the first electron-removal states of an undoped CuO2-plane: 1. The photoemission signal of the first electron-removal states at both (0.5Pi,0.5Pi) and (0.7Pi,0) exhibits a marked photon-energy dependence. The intensity profile shows strong oscillations with maxima near 16, 25, 35 and 49 eV, corresponding to final state crystal momenta kperp=0.82, 1.63, 2.40 and 3.12 A-1. 2. Along the high-symmetry directions Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0) the first electron-removal states shows a strong polarization dependence. This can be linked to the strongly polarization-dependent matrix element, which in turn allows the determination of the symmetry of the first electron-removal state itself. For both high-symmetry directions we observe a polarization dependence in keeping with that expected for a Zhang-Rice singlet state in the framework of either a three-band or one-band model Hamiltonian. 3. Our data show that the dispersion of the first electron-removal states along both high symmetry directions (Gamma-(Pi,Pi) and Gamma-(Pi,0)) is parabolic-like and independent of the excitation energy. This, and the rather large difference in lowest binding energy of the first electron-removal state along these directions, shows the validity of the extended t-J model for describing the disperion relation of a single hole in an antiferromagnetic CuO2 plane. Thus, the inclusion of second (t2) and third (t3) neighbor hopping terms with realistic values of t2=-0.08 and t3=0.15 in units of the next neighbor hopping t=t1 are required. 4. Upon application of a simple fit procedure, we infer the momentum distribution of the spectral weight of the coherent and incoherent part of the first electron-removal state to have its maximum along Gamma-(Pi,Pi) at (0.5Pi,0.5Pi), being symmetrically suppressed away from this point. Along Gamma-(Pi,0) the spectral weights of both parts reach their maximum at (0.7Pi,0) and then drop fast. The ratio between the coherent and incoherent spectral weight is strongly photon-energy dependent, which, at first sight would appear to violate the physics of the spectral function: (i) the necessity for a more sophisticated framework in which to analyse the weight of the coherent and incoherent contributions to the spectral weight (ii) significant (hn-dependent) intensity due to extrinsic processes (iii) intensity in this energy region due to intrinsic electronic states other than the Zhang-Rice singlet.

Molecular doping is a key technique for realizing high efficient organic light-emitting diodes (OLEDs) and photovoltaics (OPV). Furthermore, its most recent application in organic field-effect transistors (OFETs) marks a milestone on the roadmap towards flexible organic CMOS technology. However, in contrast to silicon based devices, the understanding of the fundamental processes of molecular doping is still controversially discussed. This work aims at the detailed analysis of the molecular doping process by employing Photoelectron spectroscopy (PES) on various doped thin-films prepared by co-evaporation in vacuum. Here, the focus is on explanation of the experimental findings by a statistical description in order to contribute to the fundamental understanding of the doping mechanism. First, the Fermi level shifts in thin-films of the common hole transport materials MeO-TPD, ZnPc, and pentacene p-doped by the acceptors C60F36 and F6-TCNNQ are studied. The precise control of molar doping ratios as low as 1e−5 is demonstrated, allowing analysis of the doping properties in a much broader range as previously accessible. Characteristic kinks and slopes in the Fermi level vs. doping concentration diagrams are found. Furthermore, the doping efficiency is found to decrease with increasing doping concentrations to just a few percent at molar ratios above 0.1. By numerically solving the charge neutrality equation using a classical semiconductor physics approach, these findings are explained by trap-limitation, dopant saturation, and reserve regimes as known from inorganic semiconductor physics. Using the example of p-doped MeO-TPD thin-films, it is finally demonstrated that the density of deep gap states depends on the purity degree of the host material. Similar studies are conducted on thin-films of C60, ZnPc, and pentacene n-doped by the di-metal complex W2(hpp)4. The corresponding Fermi level plots possess also host material specific kinks and slopes, which however, can be explained by application of the statistical doping description and assuming just dopant saturation and trap-limitation. Furthermore, it is demonstrated that electron traps with defined density can intentionally be introduced in pentacene by co-evaporation of C60 and gradually filled-up by n-doping with W2(hpp)4. In contrast to p-dopants, the highly efficient n-dopant W2(hpp)4 is prone to degradation in air due to its low IP of just 2.4eV. Therefore, the degradation of pure films of W2(hpp)4 as well as of n-doped films applying various host materials is studied under air exposure by conductivity measurements and PES. An unexpected (partial) passivation of W2(hpp)4 molecules against oxidation is found, however, this effect is identified to depend on the energy levels of the used host material. This finding is explained by a down-shift of the W2(hpp)4 energy levels upon charge transfer to a host material with deeper lying energy levels and thus allows for new conclusions on the relative alignment of the energy levels of dopant and host molecules in doped films in general. The maximum open-circuit voltage Voc of BHJ solar cells is limited by the effective HOMO(donor)-LUMO(acceptor) gap of the photo-active absorber blend. Therefore, the relative energy levels within ZnPc:C60 blend layers are furthermore investigated by PES, identifying an increase of the HOMO(ZnPc)-LUMO(C60) gap by 0.25 eV when varying the blend stoichiometry from 6:1 to 1:6. The trend in this gap correlates with observed changes in Voc of respective BHJ solar cells as well as with measured charge transfer energies. As physical origins for the changed energy levels, a suppressed crystallization of the C60 phase due to presence of donor molecules as well as concentration-dependent growth modes of the ZnPc phase are discussed.

Der zunehmende Bedarf nach digitalen Speichermedien macht die Erforschung von neuen Materialien für zukünftige Technologien von nichtflüchtigen Speichern nötig. Hierfür eignen sich zum Beispiel Metall-Nanopartikel, die in organischen Halbleiterschichten eingebettet sind. Aufgrund der bistabilen Schaltbarkeit der Leitfähigkeit von Metall-Nanopartikeln lassen sie sich in Abhängigkeit der elektrischen Umgebungsbedingungen entweder in einen niedrig- oder einen hochleitenden Zustand schalten. Bisher wurden verschiedene Modelle entwickelt, um den Schaltmechanismus von Speichern mit einem organischen Matrixmaterial zu erklären, jedoch fehlt bislang ein konsistentes Bild zum Verständnis des Schaltvorgangs. Die vorliegende Arbeit  untersucht die Rolle des Raumladungsfeldes ausgehend von Metall-Nanopartikeln in Bauelementen. Dazu wurde eine Reihe von Experimenten zur Bestimmung der elektronischen und elektrischen Eigenschaften durchgeführt, um die tatsächliche Rolle des Raumladungsfeldes aufzuklären. Mit Hilfe von Röntgen- und UV-Photoelektronenspektroskopie wurde die Wechselwirkung zwischen den Metall-Nanopartikeln und den prototypischen organischen Halbleiterschichten detailliert untersucht. Unter Verwendung der bereits untersuchten Materialien wurden Bauelemente hergestellt und charakterisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass der allgemein vorgeschlagene Mechanismus bezüglich der Aufladung/Entladung von Metall-Nanopartikeln als Ursache für die elektrische Bistabiliät in einem zweipoligen Bauteil ausgeschlossen werden kann. Stattdessen stützt dieses Ergebnis den alternativen Mechanismus der Filamentbildung. Zur Untersuchung der Skalierbarkeit der Speicher im Nanometerbereich wurden die Strukturen durch das Abscheiden der Materialien bei streifendem Einfall präpariert. Die entsprechenden Nanospeicher wurden elektrisch charakterisiert und zeigten Bistabilität. Folglich sind diese Nanspeicher besonders attraktiv für zukünftige Technologien in Hinblick auf hohe Speicherdichten. / The increasing need to store digital information has triggered research into the exploration of new materials for future non-volatile memory (NVM) technologies. For instance, metal nanoparticles (MNPs) embedded into organic semiconductors are suitable for novel memory applications because they were found to display bistable resistive switching. Different switching models were hitherto developed to explain the fundamental mechanisms at work in resistive NVMs. This thesis explores specifically the role of space-charge field due to the charging of MNPs as rationale for resistive switching in two-terminal devices. A series of experiments on the electronic and electrical properties of devices were conducted in order to reveal whether this mechanism is, indeed, at play in resistance switching. Photoelectron spectroscopy provided detailed information about the interaction between gold nanoparticles (AuNPs) with prototypical organic semiconductors used in optoelectronics. The study of the electronic valence structures provided evidence of a space-charge due to the charging of AuNPs. Furthermore, it is found that charge-neutrality of AuNPs can be dynamically re-established upon illumination, through electron transfer from excitons. Devices were built with the same materials investigated by photoemission spectroscopy and electrical characterization was conducted. Despite the previously demonstrated ability to optically change the charging state of the AuNPs, the devices do not display any bistability. This finding provides evidence that the commonly proposed charging/decharging mechanism of MNPs can be excluded as cause for electrical bistability in NVM devices. In order to explore the scaling of resistive NVMs into the nanometric range, glancing angle deposition technique was employed. The nano-NVMs were electrically characterized and it is proved to manifest resistive bistability. These finding make nano-NVMs highly appealing for future high-density memory technology.

Hybride anorganische/organische Systeme (HIOS) sind von großem Interesse für Grundlagenforschung und neue (opto)-elektronische Bauteile. Um effiziente Bauteile zu entwickeln, ist ein Verständnis der Energielevelanordnung (ELA) an der Grenzfläche von entscheidender Bedeutung. Es wird demonstriert, wie Oberflächen mit heterogener Austrittsarbeit die Resultate von ultravioletter Photoelektronenspektroskopie (UPS) beeinflussen. Durch den Vergleich experimenteller Daten mit Berechnungen zeigt sich, dass das lokale elektrostatische Potential oberhalb der Oberfläche zur Ausbildung einer zusätzlichen Energiebarriere für Elektronen über Bereichen mit niedriger Austrittsarbeit führt, was die gemessene Sekundärelektronenkante zu höheren kinetischen Energien verschiebt. Der Einfluss von Streifengröße und experimentellen Parametern wird theoretisch und experimentell gezeigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, wie man dünne organische Donator/Akzeptor Zwischenschichten nutzen kann, um die ELA zwischen typischen anorganischen und organischen Halbleitern zu kontrollieren. Die Austrittsarbeit von anorganischen Substraten lässt sich so zwischen 2.2-6.0 eV variieren. Der Einfluss von Zuständen in der Bandlücke des anorganischen Halbleiters auf die Bandverbiegung wird im Detail untersucht und es wird ein Model vorgeschlagen, welches das Pinning des Fermi-Niveaus an diesen Zuständen beschreibt. Es wird experimentell gezeigt, dass die Dotierung des anorganischen Halbleiters kaum Einfluss auf die ELA hat. Weiterhin wird die ELA zwischen dem Übergangsmetall-Dichalcogenid WSe2 und dem organischen Akzeptor C60F48 untersucht. Mit Hilfe von STM und STS Messungen wurde gezeigt, dass C60F48 geschlossene Domänen auf WSe2 bei Bedeckung mit Submonolagen bildet und dass sich die Energielevel von WSe2 drastisch ändern. Durch Auswerten der Potentialänderung als Funktion des Abstandes von einer C60F48 Kante im STS konnte die Thomas-Fermi-Abschirmlänge von WSe2 auf etwa 2 nm bestimmt werden. / Hybrid inorganic/organic systems (HIOS) have attracted a lot of interest for fundamental studies and novel (opto)-electronic devices during the past decade. For developing efficient devices, an understanding and control of the energy level alignment (ELA) at the hybrid interface is of paramount importance. Firstly, it is demonstrated how surfaces with non-uniform local work function influence the measurement results obtained by ultraviolet photoelectron spectroscopy (UPS). By comparing the measured results with calculations, it is found that the electrostatic potential above the surface leads to an additional energy barrier for electrons above low work function areas, shifting the secondary electron cut-off (SECO) to higher kinetic energies in UPS (averaging effect). The influence of pattern size and measurement conditions on the SECO is shown theoretically and experimentally. In the second part it is shown how thin organic donor/acceptor interlayers can be employed to manipulate the ELA between prototypical inorganic and organic semiconductors. The work function of the inorganic substrate can be tuned between 2.2-6.0 eV. The influence of gap states within the inorganic band gap on the band bending change is investigated in detail and a model is proposed, which describes the pinning of the inorganic energy levels as a function of surface state density. It is further shown experimentally that the bulk doping concentration of the inorganic semiconductor has only little effect on the energetic alignment. Finally, the ELA of the transition metal dichalcogenide monolayer WSe2 with the organic acceptor molecule C60F48 is investigated. Using STM and STS measurements, it is revealed that the C60F48 forms domains on WSe2 in the sub-monolayer regime. By evaluating the potential change as a function of distance from a C60F48 edge in STS, it is possible to derive a value for the Thomas-Fermi screening length of WSe2 of about 2 nm.

Heteroübergänge, die aus (in)organischen/(in)organischen Materialien bestehen, spielen eine entscheidende Rolle für die Leistung optoelektronischer Bauteile. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt hauptsächlich auf der elektronischen Struktur dieser Heteroübergänge, insbesondere der Ausrichtung der Energieniveaus (ELA) an verschiedenen Heteroübergangsschnittstellen, die mit Photoelektronenspektroskopie gemessen wird. Zusätzlich wird die Geräteleistungen mit den PES-Ergebnissen verglichen, um weitere Verbesserung zu ermöglichen. MoOx/n-Si und PEDOT:PSS/n-Si Heteroverbindungen sind aktive Schichten von Solarzellen und mit PES kann direkt, die Groessen der Bandverbiegung auf der n-Si-Seite gemessen werden. Obwohl die Bandverbiegung für einen MoOx/n-Si-Heteroübergang (0,80 eV) größer ist als die von PEDOT:PSS/n-Si (0,71 eV), weisen die entsprechenden Solarzellen (MoOx/n-Si) aufgrund der mangelhaften Passivierung von n-Si und der geringeren Dünnschichtleitfähigkeit von MoOx einen schlechteren Wirkungsgrad (auf. Die Untersuchung der elektronischen Struktur Duenner Schichten aus Perowskit (CH3NH3PbI3) oder Vanadiumdioxid zeigt, dass die Austrittsarbeit durch die Oberflächenkomponenten dramatisch beeinflusst werden kann, wodurch die ELA mit dem prototypischen organischen Lochtransportmaterial N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenylbenzidin (NPB) variiert wird. Bei den CH3NH3PbI3-Dünnschichten, die mit verschiedenen Methoden hergestellt werden, korreliert das Verhältnis der beiden Kohlenstoffarten auf der Oberfläche mit der Variation der Austrittsarbeit. Wie bei der VO2-Oberfläche kann die Austrittsarbeit durch Ändern des Verhältnisses von Sauerstoff und Vanadium auf der Oberfläche von 4,4 eV auf 6,7 eV abgestimmt werden. Belege für eine starke Ferminiveau-Pinning und die damit verbundene Energieniveaubiegung in NPB finden sich für stöchiometrisches VO2 (WF=6,7 eV), wodurch ein ohmscher Kontakt für Löcher entsteht, der als Lochinjektionskontakt in Bauteilen verwendet werden kann. / Heterojunctions, comprised by (in)organic/(in)organic materials, play a crucial role in determining the performance of optoelectronic devices. The focus of this work is mainly on the electronic structure of heterojunctions present in the optoelectronic devices, in particular the energy level alignment (ELA) at different heterojunction interfaces, by employing photoelectron spectroscopy (PES). Furthermore, interface energetics are correlated with the device performances in order to guide the future improvement. MoOx/n-Si and PEDOT:PSS/n-Si heterojunctions are active layers in solar cells and PES measurements give direct band bending magnitudes generated at the n-Si. Even though the band bending magnitude of the MoOx/n-Si heterojunction (0.80 eV) is larger than that of the PEDOT:PSS/n-Si (0.71 eV), the corresponding solar cells (MoOx/n-Si) show inferior power conversion efficiency (PCE), due to the deficient passivation of n-Si and lower thin film conductivity of MoOx. The investigations of electronic structure of perovskite (CH3NH3PbI3) and vanadium dioxide (VO2) thin films show that the work function can be dramatically affected by the surface components, which subsequently varies the ELA with the deposited prototypical organic hole transport material N,N′-di(1-naphthyl)-N,N′-diphenylbenzidine (NPB). As for the CH3NH3PbI3 thin films fabricated by different methods, the ratio of the two C 1s species (CH3NH3+ and CH3+) on the surface correlates with variation of the work function. As for the VO2 thin film, the work function can be tuned from 4.4 eV to 6.7 eV by changing the ratio of oxygen and vanadium on the surface. Evidence for strong Fermi-level pinning and the associated energy-level bending in NPB is found for the clean and stoichiometric VO2 (WF=6.7 eV), rendering an Ohmic contact for holes, which can be utilized as a hole injection contact into the devices.

In den letzten Jahrzehnten haben Tischlaserquellen eine bemerkenswerte Entwicklung durchlaufen. Sie sind nun in der Lage, maßgeschneiderte ultrakurze Mehrfarben-Laserpulse zu erzeugen, die es ermöglichen, die elektronische Dynamik in Materialien auf ihrer natürlichen Zeitskala von Attosekunden zu untersuchen. In dieser Arbeit werden verschiedene Kombinationen von elektrischen Feldern genutzt, von extrem-ultravioletten (XUV) bis nahinfraroten Wellenlängen, um komplexe Elektronendynamiken in Atomen und chiralen Medien zu erforschen, zu rekonstruieren und zu kontrollieren. Dabei werden grundlegende Konzepte der Licht-Materie-Wechselwirkung eingeführt, einschließlich starker Feldprozesse, die im Kern der Attosekundenspektroskopie liegen. Ein Schwerpunkt liegt auf der Nutzung eines XUV-Pulses in Kombination mit einem nahinfraroten Puls, um den Bevölkerungstransfer zu hohen Drehimpulszuständen in Heliumatomen zu untersuchen. Durch Manipulation der Laserparameter wird die Rolle des AC Stark-Effekts von gebundenen Zuständen in der beobachteten Dynamik identifiziert. Weitere Untersuchungen umfassen die Verwendung eines bicirculären elektrischen Feldes zur Induktion von HHG in Argon, wobei Anzeichen einer starken Feldfangung von Elektronen in angeregten Zuständen im HHG-Spektrum entdeckt werden. Die Arbeit zeigt die entscheidende Rolle angeregter Zustände in der HHG auf. Zusätzlich wird die Anwendung synthetischer chiraler Felder erforscht, um Chiralität auf achirale Objekte wie Atome zu übertragen, und es wird eine Verbindung zwischen synthetischen chiralen Feldern und strukturiertem Licht hergestellt. / In recent decades table-top laser sources have undergone remarkable development and are now capable of generating tailored ultrashort multicolor laser pulses, enabling the study of electronic dynamics in materials on their natural timescale of the attoseconds. In this thesis work various combinations of electric fields spanning from extreme-ultraviolet (XUV) to near-infrared wavelengths are used to investigate, reconstruct and control complex electron dynamics in atoms and chiral media. The initial chapter of this thesis introduces the fundamental concepts underlying light-matter interaction, including strong field processes which lie at the core of attosecond spectroscopy. The second chapter focuses on the utilization of an XUV pulse combined with a near-infrared pulse to study population transfer to high angular momentum states in helium atoms. By manipulating laser parameters, the study identifies the significant role played by the AC Stark shift of bound states in the observed dynamics. In the third chapter a bicircular electric field is employed to induce HHG in argon. Changing the timedelay between the two frequencies, indications of strong field trapping of electrons in excited states are uncovered within the HHG spectrum, confirming the existence of long-lived trajectories lasting multiple optical cycles. The study conclusively demonstrates the crucial role of excited states in HHG. The fourth chapter explores the application of synthetic chiral fields—whose polarization traces a chiral curve over the optical cycle—to imprint chirality on achiral objects such as atoms, both in the low- and strong-field regime. Moreover, the thesis establishes a connection between synthetic chiral fields and structured light, introducing chiral vortex beams with azimuthally varying handedness.