The thesis is dealing with the investigation of charge and orbital order and their behaviour under external pressure. Therefore, a new pressure cell has been developed which allows the observation of superlattice reflections corresponding to the order phenomena under pressure using scattering of high-energy synchrotron radiation. The maximum pressure that can be reached is 1.25 GPa. Until today there has been no possibility to conduct such studies of charge and orbital order superlattice reflections under pressure using x-ray scattering. The intensities of the reflections of the single crystalline samples are quite weak compared to fundamental peaks. Therefore the measurements are strongly affected by the absorption of the radiation in the pressure cell itself. Further difficulties result from the facts that low temperatures are needed and the sample has to be oriented in reciprocal space after being mounted into the cell. Therefore, the design of a compact clamp-type piston pressure cell was chosen here. The cell is made from a copper-beryllium alloy with the wall thickness reduced in the height of the sample volume. This allows the usage inside a closed-cycle cryostat mounted on a three-axis-diffractometer. Absorption effects are minimized due to the combination of reduced wall thickness and the usage of high energy synchrotron radiation (E = 100 keV at the beamline BW5 at HASYLAB/DESY). The new experimental technique was established and used for a study of two representatives of the transition metal oxide compounds, i.e. doped cuprates and manganites, which belong to the class of strongly correlated electron systems. The 1/8-doped cuprate La_{2-x}Ba_{x}CuO_{4} reveals an ordered state at low temperatures. Inside the CuO_{2} planes a combined order of charge stripes and antiferromagnetic spin stripes is observed. The ordering results from the interaction between charge, spin and lattice degrees of freedom. Here the lattice degrees of freedom play a major role. Particularly, a structural transition from an orthorhombic to a tetragonal symmetry is prerequisite for the observation of the ordered state. The cell constructed in this work allows a more exact analysis of the coupling between the crystal lattice and the formation of the charge and spin ordered phase. The manganite system Pr_{0.7}(Ca_{0.9}Sr_{0.1})_{0.3}MnO_{3} shows a strong magnetoresistive effect, called colossal magnetoresistance (CMR). In this system, several ordered phases can be found, which exhibit charge, spin and - since the orbital degree of freedom is also present in the manganites - additionally orbital ordering phenomena. In particular, an antiferromagnetically spin ordered insulating phase, which is connected to a charge- and orbital ordered state competes with a ferromagnetic metallic phase. This competition leads to a phase separation, which determines the properties of the sample. Both phases are strongly coupled to the lattice degrees of freedom, so that application of external pressure drastically affects the interplay between the different phases and allows a detailed study of the relation between the charge and orbital ordered phase and the crystal structure. / Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit dem Studium der Ordnungszustände von Ladungen und Orbitalen und deren Beeinflußung durch externen Druck. Als experimentelle Neuentwicklung wurde dafür eine Druckzelle entworfen, mit deren Hilfe die Beobachtung der jeweiligen Ordnungsphänomene unter Druck mittels der Streuung hochenergetischer Synchtrotronstrahlung möglich ist. Die Zelle erlaubt die Messung der orbitalen und Ladungsüberstrukturreflexe, welche aus den geordneten Zuständen resultieren, in einem Druckbereich bis 1.25 GPa. Die experimentelle Herausforderung ergibt sich hierbei aus der Tatsache, dass die Überstrukturreflexe im Vergleich zu den fundamentalen Reflexen der einkristallinen Proben sehr schwach sind und zusätzlich durch die Absorption im Mantelmaterial der Druckzelle stark beeinträchtigt werden. Darüber hinaus soll die Zelle bei tiefen Temperaturen einsetzbar und die Probe auch innerhalb der Zelle im reziproken Raum orientierbar sein. Bei dem hier realisierten Ansatz wurde für das Design daher der Typ einer kompakten Klemmdruckzelle aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung gewählt, deren Zellwände im Bereich des Probenvolumens reduziert wurden. Dadurch ist der Einsatz der Zelle im Inneren eines Closed-Cycle-Kryostaten auf einem Einkristall-Diffraktometer möglich. Aufgrund der geringen Wandstärke der Zelle und der Nutzung von hochenergetischer Röntgenstrahlung (E = 100 keV am Messplatz BW5 des HASYLAB/DESY) werden Absorptionseffekte minimiert. Die neue Messmethode wurde im Rahmen der Arbeit etabliert und zur Untersuchung zweier wichtiger Übergangsmetalloxidverbindungen (dotierte Kuprate, Manganate), die zur Klasse der stark korrelierten Elektronensysteme gehören, eingesetzt. Das 1/8-dotierte Kupratsystem La_{2-x}Ba_{x}CuO_{4}, weist bei tiefen Temperaturen einen statisch geordneten Zustand auf. Innerhalb der CuO_{2}-Schichten des Kristalls ergibt sich eine Ordnung, bei der sich Streifen lokalisierter Löcher und antiferromagnetische Bereiche abwechseln. Ursache dieses Zustands ist das Wechselspiel von Ladungen, Spins und strukturellen Freiheitsgraden. Dabei spielen letztere eine herausgehobene Rolle. So ist insbesondere ein struktureller Übergang von einer orthorhombischen zu einer tetragonalen Phase Voraussetzung für die Beobachtung der Ordnung. Die in dieser Arbeit aufgebaute Druckzelle erlaubt eine genauere Analyse des Zusammenhangs zwischen Struktur des Kristalls und der Ausbildung der ladungs- und spingeordneten Phase. Das Manganatsystem Pr_{0.7}(Ca_{0.9}Sr_{0.1})_{0.3}MnO_{3}, zeichnet sich durch einen sehr starken magnetoresistiven Effekt aus, der auch als kolossaler Magnetowiderstand (CMR) bezeichnet wird. Auch hier kann bei tiefen Temperaturen eine geordnete Phase beobachtet werden. Allerdings spielt in diesem System zusätzlich der orbitale Freiheitsgrad der Elektronen eine entscheidende Rolle, so dass sich eine kombinierte Ladungs- und Orbitalordnung ergibt. Diese Phase, die isolierend und zusätzlich antiferromagnetisch geordnet ist, steht im direkten Wettbewerb zu einer ferromagnetischen Phase. Aus dieser Konkurrenz ergibt sich eine Tendenz zur Phasenseparation, deren Effekte die Eigenschaften des Kristalls dominieren. Da beide Phasen stark an die strukturellen Freiheitsgrade gekoppelt sind, läßt sich das Gleichgewicht zwischen ihnen durch externen Druck beeinflussen und die Abhängigkeit der ladungs- und orbitalgeordneten Phase von den strukturellen Eigenschaften des Kristalls im Detail untersuchen.

Funktionale organische Moleküle bergen ein hohes Potential für den Einsatz in zukunftsprägenden Technologien wie organischen Leuchtdioden (OLED), Solarzellen, Transistoren und Bio-Sensoren. Eines der Herstellungsverfahren beruht auf der Gasphasenabscheidung der Moleküle, die auf dem Substrat mittels Selbstorganisation zu dünnen Schichten wachsen. Auf Grund der komplexen Wechselwirkungen und des Einflusses der Schichtmorphologie auf die Funktionalität der dünnen Schichten stellt der Wachstumsprozess sowohl für die anwendungsorientierte als auch für die Grundlagenforschung eine hochinteressante und wichtige wissenschaftliche Herausforderung dar, mit der sich die vorliegende Arbeit auseinandersetzt. Die experimentellen Resultate und Konzepte, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, leisten neue Beiträge für das Verständnis von organischem Wachstum. Der demonstrierte Einfluss von chemischer Modifikation auf verschiedene Aspekte des Strukturwachstums, wie z.B. auf die Filmrauigkeit, Kristallphasenreinheit und molekulare Diffusivität, zeigt zudem das hohe Potential dieser Methode zur Steuerung des organischen Wachstums. Aus den genannten Gründen kann diese Arbeit neue Impulse für die Erforschung und spätere Anwendung von funktionalen organischen Dünnschichtsystemen setzen. / Functional organic molecules are promising for the application in future relevant technologies such as organic light emitting diodes (OLEDs), solar cells, transistors and bio-sensors. One of the processing methods to fabricate organic devices is organic molecular beam deposition. In this process, the complexly interacting molecules grow via self-assembly as thin films on a substrate. Due to the close structure-property relationship, the growth process constitutes a highly interesting and important scientific challenge for both application oriented as well as fundamental research and is the topic of the present thesis. The experimental results and conceptual methods presented in this thesis contribute new stimuli to the understanding of the molecular self-assembly. The demonstrated influence of chemical tuning on various facets of structure formation, such as film roughness, crystal phase purity and molecular diffusivities, uncovers the strong potential of this approach for steering organic growth. Therefore, the present work has implications for future research and application of functional organic thin films.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Herstellung und Charakterisierung neuer sternförmiger Mesogene. Bei den aufgeführten Sternverbindungen, handelt es sich um Oligobenzoate, bestehend aus aromatischen Hydroxy- oder Aminocarbonsäuren, die durch Kupplungsreaktionen mit Dicylohexycarbodiimid, in einer konvergenten Synthesestrategie verknüpft wurden. Das besondere Augenmerk der Arbeit richtete sich auf die Charakterisierung der von den neuen Substanzen gebildeten Mesophasen, die mit Hilfe von Polarisationsmikrokopie, dynamischer Differenzialkalorimetrie und Röntgenstreuung erfolgte. Zur Aufklärung spezieller dreidimensionaler Strukturen wurden als zusätzliche Methoden die Rasterkraftmikroskopie angewandt und der Zirkulardichroismus untersucht.

Die heterogene Struktur von aus Rattenhirn isolierten Synaptischen Vesikeln wird untersucht mittels Daten aus Kleinwinkel-Röntgenstreuexperimenten unter Berücksichtigung von Daten erhalten durch cryogene Elektronenmikroskopie, dynamische Lichtstreuung und biochemische Analysen. Es werden niedrig aufgelöste Strukturmodelle des funktionellen Synaptischen Vesikels unter quasi-physiologischen Bedingungen vorgeschlagen. Details des Dichteprofils der Membran, einschließlich Beiträgen von Lipiden und Proteinen werden bestimmt. Die typische Konformation und die allgemeine laterale Organisation der Proteine in Mikrodomänen werden ermittelt. Entropische Beiträge zur freien Energie aufgrund möglicher Bildung und Auflösung der Proteinmikrodomänen auf dem Synaptischen Vesikel werden untersucht. Ferner werden zellfreie Fusionssysteme mittels dynamischer Lichtstreudaten charakterisiert und mögliche Anwendungen von Kleinwinkel-Röntgenstreuung für die Untersuchung von Membran-Fusionsprozessen erörtert.

Um neue Halbleiter-Bauelemente zu entwickeln und die Effizienz bereits existierender zu verbessern, müssen neue Materialien erkundet und untersucht werden. Für Anwendungen in Hochleistungselektronik und UV-Optoelektronik ist Ga2O3 mit seiner ultra-weiten Bandlücke von 4.8 eV ein vielversprechender Kandidat. Diese Anwendung haben zu wachsendem Interesse an seinen fundamentalen elektronischen und optischen Eigenschaften geführt. Diese Dissertation präsentiert eine umfassende ab initio-Untersuchung der elektronischen Anregungen in Ga2O3, um zu dem Verständnis dieser fundamentalen Eigenschaften beizutragen. Die Arbeit besteht aus zwei Teilen: Im ersten Teil präsentieren wir eine Vielteilchen-Störungstheorie Methode zur konsistenten Berechnung der neutralen Anregungen von Valenz- und Kernelektronen in kristallinen Halbleitern. Diese ermöglicht die präzise Berechnung von Absorptions- und Streuungsspektren vom optischen bis zum Röntgenbereich. Zusätzlich präsentieren wir einen neuartigen Ausdruck für resonante inelastische Röntgenstreuung (RIXS) innerhalb unseres Vielteilchen-Formalismus, der eine detaillierte Analyse dieser Streuung erlaubt. Mit ausgewählten Beispielen demonstrieren wir das Potential unserer Implementation, die Spektren dieser verschiedenen spektroskopischen Methoden zu berechnen, zu analysieren und zu interpretieren. Im zweiten Teil der Dissertation verwenden wir unsere Methode, um die Anregungen der Valenzelektronen, sowie der Ga 1s-, Ga 2p- und O 1s-Elektronen in Ga2O3 zu berechnen. Wir finden ausgeprägte Unterschiede in den diversen Röntgenabsorptionsspektren von Ga2O3 -Polymorphen, die von der unterschiedlichen lokalen elektronischen Struktur stammen. Wir bestimmen die Zusammensetzung der Valenz- und Kernanregungen und analysieren ihre Signatur in den verschiedenen Absorptions- und Streuungsspektren. Abschließend demonstrieren wir wie RIXS einen zusätzlichen Blickwinkel auf die Valenz- und Kernanregungen und deren Wechselwirkungen ermöglicht. / To develop new semiconductor devices and improve the performance of existing ones, the exploration and understanding of novel materials is required. With an ultra-wide band gap of around 4.8 eV, Ga2O3 is a promising candidate for applications in UV-optoelectronics and power electronics. These applications have led to an increasing interest in its fundamental electronic and optical properties. In this thesis, we present a comprehensive first-principles study of the electronic excitations of Ga2O3 to contribute to the understanding of these fundamental properties. The thesis consists of two parts: In the first part, we present an all-electron many-body perturbation theory (MBPT) approach for consistent calculations of neutral core and valence excitations. It enables accurate calculation of absorption and inelastic scattering spectra in the optical, UV, and x-ray region. While these spectroscopic techniques probe either the valence or core excitations, resonant inelastic x-ray scattering (RIXS) reveals the interplay between the two. We present a novel expression for the RIXS cross section within our all-electron many-body formalism that allows for a detailed analysis of this interplay. We demonstrate the capability of our implementation to compute, analyze, and interpret the different spectroscopic techniques with selected examples of prototypical insulators. In the second part, we apply our approach to study valence excitations, as well as excitations of various core states, i.e. the gallium 1s, gallium 2p, and oxygen 1s states in Ga2O3 . Comparing the core spectra of Ga2O3 polymorphs, we find distinct differences that originate from their local environments. We determine the composition of valence and core excitons, and analyze their signatures in the various absorption and scattering spectra. Finally, we demonstrate how RIXS can be employed to provide a different viewpoint on the core and valence excitations and unravel the interplay between them.

In the investigation of correlated electron systems which are characterized by strong spin-orbit coupling, one of the central challenges is the description of the complex interplay of different microscopic energy scales and the elucidation of its influence on the formation of exotic electronic phases like complex ordering phenomena and superconductivity. In the present thesis, exemplary three case studies of iridium-based compounds are presented, in which the effects of such an interplay have been investigated employing state-of-the-art synchrotron-based techniques. The particular focus is set on experimental possibilities to influence this equilibrium utilizing external parameters. In the first study, magnetic excitations are investigated in iridate double perovskites, which exhibit a nonmagnetic ground state. Upon increasing the influence of kinetic contributions, the potential condensation of these excitations is predicted to drive a novel kind of magnetic transitions, called ’excitonic magnetism’. A comprehensive investigation of the dynamics of these excitations via resonant inelastic x-ray scattering allows for an estimation of the relevant energy scales. These results indeed reveal that the influence of kinetic contributions is too small to drive such a transition under ambient conditions. Therefore the influence of excitonic magnetism on the macroscopic properties of the investigated compounds can be excluded. In the second case, the development of a new experimental setup is presented, facilitating the investigation of complex ordering phenomena at low temperatures as a function of pressure via resonant elastic x-ray scattering. This setup has been developed and implemented as part of this work in strong collaboration with the staff of the beamline P09 at the synchrotron PETRAIII (DESY). The functionality of this setup has been illustrated by measurements of the resonant magnetic x-ray scattering in the spin-orbit coupled Mott-insulator Sr 2IrO4. Since the magnetic ground state and magnetic order in iridates result from a complex interplay of different microscopic energy scales, these systems are particularly susceptible to external influences like hydrostatic pressure. In the third case, structural phase transitions are investigated in the iridium-based dichalcogenide IrTe2. Despite the macroscopic itinerant properties of IrTe2, the phase transitions are characterized by the formation of strongly localized states. These transitions have been investigated in the course of this work using single crystal x-ray diffraction experiments as a function of hydrostatic pressure and temperature. The presented experimental data show that these strongly localized states are stabilized with increasing pressure, which is observed as an increased density of Ir-Ir dimer bonds.

Nanopartikel auf Basis von NaYF4 erfreuen sich großer Beliebtheit durch ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten. Durch die Dotierung mit Ytterbium und Erbium im Wirtsgitter ist es beispielsweise möglich, niedrigenergetisches Infrarotlicht in höher-ergetisches, sichtbares Licht umzuwandeln. Zudem lässt sich NaYF4 auch im Nanometermaßstab präparieren, sodass ein Einsatz in Zellen oder lebenden Organismen möglich ist, wo die zur Anregung verwendete infrarote Strahlung ohne Probleme das Gewebe durchdringen kann. Zu Beginn dieser Arbeit zeigten aufwärtskonvertierende Nanomaterialien wie NaYF4 :Yb,Er jedoch auch nach Umhüllen mit einer inaktiven Schale aus undotiertem NaYF4 nur sehr geringe Lumineszenz-Quantenausbeuten und kurze Energieniveau-Lebenszeiten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Synthesemethode zur Herstellung von aufwärtskonvertierenden NaYF4 -Nanopartikeln durch den Einsatz neuer Eduktmaterialien modifiziert und die Auswirkung der Modifikationen auf die Partikeleigenschaften näher untersucht. So konnte gezeigt werden, dass durch den Einsatz einer alternativen Fluoridquelle (NaHF2) Partikel mit sehr engen Partikelgrößenverteilungen hergestellt werden können. Jedoch zeigte sich auch, dass die mit NaHF2 präparierten Partikel sich nicht mit einer Schale aus undotiertem NaYF4 umhüllen ließen. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurde daher der Fokus auf die Verbesserung der optischen Eigenschaften gelegt. Durch die Verwendung von getrockneten Lösungsmitteln und wasserfreien Seltenerdacetaten, sowie NH4F als Fluoridquelle gelang es erstmals, aufwärtskonvertierende Kern/Schale-Nanopartikel (<50 nm) mit einer sehr hohen Lumineszenz-Quantenausbeute, ähnlich dem des makrokristallinen Referenzmaterials, herzustellen. Auch bei sehr kleinen Kern/Schale-Partikeln (≤15 nm) konnten Quantenausbeuten erzielt werden, die nur um einen Faktor 3-4 niedriger sind als beim Referenzmaterial. Dabei zeigte sich durch die Messung der Energieniveau-Lebenszeiten, dass die größten Verlustprozesse durch die Yb3+ Emission bei 940 nm auftraten und diese durch aufbringen einer Schale unterbunden werden konnten.

Hintergrund: Die Entwicklung von Nanotechnologien und insbesondere integrierten Schaltkreisen beruht auf dem Verständnis von Struktur und Funktion auf der Nanoskala, wofür exakte Messungen erforderlich sind. Kleinwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS) ist eine Methode zur schnellen, berührungs- und zerstörungsfreien dimensionellen Messung von nanostrukturierten Oberflächen. Ziele: Es soll die Möglichkeit untersucht werden, die zunehmend komplexeren Proben aus Wissenschaft und Industrie mit Hilfe von GISAXS präzise zu vermessen. Ein weiteres Ziel ist es, Messtargets aus der Halbleiter-Qualitätskontrolle mit einer Größe von ca. 40x40 µm² zu messen, deren Signal typischerweise nicht zugänglich ist, weil ein Bereich von ca. 1x20 mm² auf einmal beleuchtet wird. Methoden: Synchrotron-basierte GISAXS-Messungen verschiedener Proben werden mit Hilfe einer Fourier-Konstruktion, der "distorted wave Born approximation" und einem Maxwell-Gleichungs-Löser basierend auf finiten Elementen analysiert. Ergebnisse: Aus GISAXS-Messungen kann die Linienform von Gittern mit einer Periode von 32 nm rekonstruiert werden und sie weicht weniger als 2 nm von Referenzmessungen ab. Eine sorgfältige Bayes'sche Unsicherheitsanalyse zeigt jedoch, dass wichtige dimensionelle Parameter innerhalb der Unsicherheiten nicht übereinstimmen. Für die Messung von kleinen Gittertargets entwerfe ich ein neuartiges Probendesign, bei dem das Target in Bezug auf die umgebenden Strukturen gedreht wird, und stelle fest, dass dadurch parasitäre Streuung effizient unterdrückt wird. Fazit: GISAXS-Messungen von komplexen Nanostrukturen und kleinen Targets sind möglich, jedoch würde GISAXS enorm von effizienteren Simulationsmethoden profitieren, die alle relevanten Effekte wie Rauhigkeit und Randeffekte einbeziehen. Hier gibt es vielversprechende theoretische Ansätze, so dass GISAXS eine zusätzliche Methode für die Halbleiter-Qualitätskontrolle werden könnte. / Background. The development of nanotechnology such as integrated circuits relies on an understanding of structure and function at the nanoscale, for which reliable and exact measurements are needed. Grazing-incidence small angle X-ray scattering (GISAXS) is a versatile method for the fast, contactless and destruction-free measurement of sizes and shapes of nanostructures on surfaces. Aims. A goal of this work is to investigate the possibility of precisely measuring the increasingly complex samples produced in science and industry using GISAXS. A second objective is to measure targets used in semiconductor quality control with a size of approx. 40x40 µm², whose signal is typically not accessible because an area of approx. 1x20 mm² is illuminated at once. Methods. I take synchrotron-based GISAXS measurements and analyze them using reciprocal space construction, the distorted wave born approximation, and a solver for Maxwell's equations based on finite elements. Results. I find that the line shape of gratings with a period of 32 nm can be reconstructed from GISAXS measurements and the results deviate less than 2 nm from reference measurements; however, a careful Bayesian uncertainty analysis shows that key dimensional parameters do not agree within the uncertainties. For the measurement of small grating targets, I create a novel sample design where the target is rotated with respect to the surrounding structures and find that this efficiently suppresses parasitic scattering. Conclusions. I show that GISAXS measurements of complex nanostructures and small targets are possible, and I highlight that further development of GISAXS would benefit tremendously from efficient simulation methods which describe all relevant effects such as roughness and edge effects. Promising theoretical approaches exist, so that GISAXS has the potential to become an additional method in the toolkit of semiconductor quality control.

Dünne Filme aus konjugierten Molekülen werden vermehrt in der organischen Optoelektronik, Bio-Sensorik und Oberflächenmodifikationen eingesetzt. Jedoch steckt das nanoskopische Verständnis von elementaren Prozessen bzgl. des molekularen Wachstums, der Film-Stabilität und thermisch-mechanischer Eigenschaften noch in den Kinderschuhen. Im ersten Teil dieser Arbeit nutzen wir Echtzeit in situ spekulare und diffuse Röntgenstreuung in Kombination mit Kinetik-Monte-Carlo Simulationen, um die Nukleation und das Multilagen-Wachstum von C60 zu studieren. Wir quantifizieren einen konsistenten Satz von Energieparametern, die die Oberflächenprozesse während des Wachstums beschreiben: eine effektive Ehrlich-Schwoebel Barriere von EES = 110 meV, eine Oberflächendiffusions-Barriere von ED = 540 meV und die Bindungsenergie von EB = 130 meV. Durch die Analyse der Teilchendynamiken finden wir, dass die laterale Diffusion ähnlich derer von Kolloiden ist, jedoch weist die Stufenkanten-Diffusion eine atom-ähnlichen Schwoebel-Barriere auf. Außerdem haben wir für die erste Monolage ein thermisch-aktiviertes Dewetting nach dem Wachstum von C60 auf Mica mit einer effektiven Aktivierungsbarriere von (0.33 ± 0.14) eV für die Aufwärts-Diffusion beobachtet. Im zweiten Teil der Arbeit untersuchen wir die thermomechanischen Eigenschaften der supra-molekularen Anordnung von dem organischen Halbleiter PTCDI-C8. Temperaturabhängige GIXD-Experimente decken einen außergewöhnlich großen positiven und negativen thermischen Expansionskoeffizienten der Kristallstruktur auf. Die Moleküle vollführen kooperative rotierende Bewegungen als Reaktion auf die Temperaturänderung, die zu dieser anomalen thermischen Expansion führen. Unsere Beschreibung der Bewegungen einzelner adsorbierter Moleküle während des Wachstums und der kooperativen Bewegungen einzelner Moleküle in supra-molekularen Ensembles auf der molekularen Skala wird die weitere Arbeit auf dem Weg zu funktionalen molekularen dünnen Filmen beleben. / Thin films of conjugated molecules are increasingly used in organic optoelectronics, biosensing and surface modification. However, nanoscopic understanding of elementary processes regarding the molecular film growth, the stability of these films and regarding the thermal and mechanical properties of supra-molecular assemblies are in its infancy. In the first part of this thesis we use real-time in situ specular and diffuse X-ray scattering in combination with kinetic Monte Carlo simulations to study C60 nucleation and multilayer growth. We quantify a consistent set of energy parameters, which describe the surface processes during growth, yielding an effective Ehrlich-Schwoebel barrier of EES = 110 meV, a surface diffusion barrier of ED = 540 meV and a binding energy of EB = 130 meV. Analysing the particle-resolved dynamics, we find that the lateral diffusion is similar to colloids, but step-edge crossing is characterized by an atom-like Schwoebel barrier. Furthermore, a thermally-activated post-growth dewetting for C60 on mica has been observed for the first monolayer with an effective activation barrier for upward interlayer transport of (0.33 ± 0.14) eV. In the second part we investigate the thermomechanical properties of the supra-molecular assembly of the organic semiconductor PTCDI-C8. Temperature-dependent Grazing Incidence X-ray Diffraction (GIXD) experiments reveal extraordinary large positive and, surprisingly, negative thermal expansion coefficients of the thin film crystal structure. The molecules perform temperature-controlled cooperative rotational motions leading to the change of the molecular crystal structure at different temperatures. We hope that our molecular scale picture of the movement of single ad-molecules during growth and the cooperative motions of single molecules in supra-molecular ensembles will stimulate further work towards the optimized, rational design of functional molecular thin films and nanomaterials.

Hard x rays come along with a variety of extraordinary properties which make them an excellent probe for investigation in science, technology and medicine. Their large attenuation length in matter opens up the possibility to use hard x-rays for non-destructive investigation of the inner structure of specimens. Medical radiography is one important example of exploiting this feature. Since their discovery by W. C. Röntgen in 1895, a large variety of x-ray analytical techniques have been developed and successfully applied, such as x-ray crystallography, reflectometry, fluorescence spectroscopy, x-ray absorption spectroscopy, small angle x-ray scattering, and many more. Each of those methods reveals information about certain physical properties, but usually, these properties are an average over the complete sample region illuminated by the x rays. In order to obtain the spatial distribution of those properties in inhomogeneous samples, scanning microscopy techniques have to be applied, screening the sample with a small x-ray beam. The spatial resolution is limited by the finite size of the beam. The availability of highly brilliant x-ray sources at third generation synchrotron radiation facilities together with the development of enhanced focusing x-ray optics made it possible to generate increasingly small high intense x-ray beams, pushing the spatial resolution down to the sub-100 nm range. During this thesis the prototype of a hard x-ray scanning microscope utilizing microstructured nanofocusing lenses was designed, built, and successfully tested. The nanofocusing x-ray lenses were developed by our research group of the Institute of Structural Physics at the Technische Universität Dresden. The prototype instrument was installed at the ESRF beamline ID 13. A wide range of experiments like fluorescence element mapping, fluorescence tomography, x-ray nano-diffraction, coherent x-ray diffraction imaging, and x-ray ptychography were performed as part of this thesis. The hard x-ray scanning microscope provides a stable x-ray beam with a full width at half maximum size of 50-100 nm near the focal plane. The nanoprobe was also used for characterization of nanofocusing lenses, crucial to further improve them. Based on the experiences with the prototype, an advanced version of a hard x-ray scanning microscope is under development and will be installed at the PETRA III beamline P06 dedicated as a user instrument for scanning microscopy. This document is organized as follows. A short introduction motivating the necessity for building a hard x-ray scanning microscope is followed by a brief review of the fundamentals of hard x-ray physics with an emphasis on free-space propagation and interaction with matter. After a discussion of the requirements on the x-ray source for the nanoprobe, the main features of synchrotron radiation from an undulator source are shown. The properties of the nanobeam generated by refractive x-ray lenses are treated as well as a two-stage focusing scheme for tailoring size, flux and the lateral coherence properties of the x-ray focus. The design and realization of the microscope setup is addressed, and a selection of experiments performed with the prototype version is presented, before this thesis is finished with a conclusion and an outlook on prospective plans for an improved microscope setup to be installed at PETRA III. / Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften kommt harte Röntgenstrahlung in vielfältiger Weise in der Wissenschaft, Industrie und Medizin zum Einsatz. Vor allem die Fähigkeit, makroskopische Gegenstände zu durchdringen, eröffnet die Möglichkeit, im Innern ausgedehnter Objekte verborgene Strukturen zum Vorschein zu bringen, ohne den Gegenstand zerstören zu müssen. Eine Vielzahl röntgenanalytischer Verfahren wie zum Beispiel Kristallographie, Reflektometrie, Fluoreszenzspektroskopie, Absorptionsspektroskopie oder Kleinwinkelstreuung sind entwickelt und erfolgreich angewendet worden. Jede dieser Methoden liefert gewisse strukturelle, chemische oder physikalische Eigenschaften der Probe zutage, allerdings gemittelt über den von der Röntgenstrahlung beleuchteten Bereich. Um eine ortsaufgelöste Verteilung der durch die Röntgenanalyse gewonnenen Information zu erhalten, bedarf es eines sogenannten Mikrostrahls, durch den die Probe lokal abgetastet werden kann. Die dadurch erreichbare räumliche Auflösung ist durch die Größe des Mikrostrahls begrenzt. Aufgrund der Verfügbarkeit hinreichend brillanter Röntgenquellen in Form von Undulatoren an Synchrotronstrahlungseinrichtungen und des Vorhandenseins verbesserter Röntgenoptiken ist es in den vergangen Jahren gelungen, immer kleinere intensive Röntgenfokusse zu erzeugen und somit das räumliche Auflösungsvermögen der Röntgenrastermikroskope auf unter 100 nm zu verbessern. Gegenstand dieser Arbeit ist der Prototyp eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung unter Verwendung refraktiver nanofokussierender Röntgenlinsen, die von unserer Arbeitsgruppe am Institut für Strukturphysik entwickelt und hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop wurde im Rahmen dieser Promotion in Dresden konzipiert und gebaut sowie am Strahlrohr ID 13 des ESRF installiert und erfolgreich getestet. Das Gerät stellt einen hochintensiven Röntgenfokus der Größe 50-100 nm zur Verfügung, mit dem im Verlaufe dieser Doktorarbeit zahlreiche Experimente wie Fluoreszenztomographie, Röntgennanobeugung, Abbildung mittels kohärenter Röntgenbeugung sowie Röntgenptychographie erfolgreich durchgeführt wurden. Das Rastermikroskop dient unter anderem auch dem Charakterisieren der nanofokussierenden Linsen, wobei die dadurch gewonnenen Erkenntnisse in die Herstellung verbesserten Linsen einfließen. Diese Arbeit ist wie folgt strukturiert. Ein kurzes einleitendes Kapitel dient als Motivation für den Bau eines Rastersondenmikroskops für harte Röntgenstrahlung. Es folgt eine Einführung in die Grundlagen der Röntgenphysik mit Hauptaugenmerk auf die Ausbreitung von Röntgenstrahlung im Raum und die Wechselwirkungsmechanismen von Röntgenstrahlung mit Materie. Anschließend werden die Anforderungen an die Röntgenquelle besprochen und die Vorzüge eines Undulators herausgestellt. Wichtige Eigenschaften eines mittels refraktiver Röntgenlinsen erzeugten Röntgenfokus werden behandelt, und das Konzept einer Vorfokussierung zur gezielten Anpassung der transversalen Kohärenzeigenschaften an die Erfordernisse des Experiments wird besprochen. Das Design und die technische Realisierung des Rastermikroskops werden ebenso dargestellt wie eine Auswahl erfolgreicher Experimente, die am Gerät vollzogen wurden. Die Arbeit endet mit einem Ausblick, der mögliche Weiterentwicklungen in Aussicht stellt, unter anderem den Aufbau eines verbesserten Rastermikroskops am PETRA III-Strahlrohr P06.