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

In this work organic molecules, namely derivatives of BODIPY and poly-para-phenyls are investigated on different metal surfaces by means of LT-STM. These molecule are important for the development of molecular electronics and spintronics. I show that aza-BODIPY molecules form a weak chemical bond with the Au(111) substrate and the molecular structure significantly changes upon adsorption. Due to the low corrugation of the Au(111) surface, diffusion of the molecule is observed for applied bias in excess of ±1 V. The temperature dependent formation of different molecular nanostructures formed by polyparaphenyls and Au adatoms is discussed. The diffusing Au adatoms act as coordination centers for the cyano groups present on one end of the molecules. The structure of the super molecular assemblies completely changes in a temperature range of only 60 K. Furthermore, I investigate in this work the hybridization of atomic orbitals within the molecular ligand. The Kondo resonance of a Co atom incorporated into an other aza-BODIPY derivative is investigated in detail on Ag(100). The hybridization of the atomic Co orbital with the organic ligands molecular orbitals is shown by spectroscopy measurements with submolecular resolution. The changing line shape of the Kondo resonance for the molecule-substrate system is discussed. This data is compared to measurements of Co incorporated in another molecular binding motive and on different metal samples to show the importance of the local environment for molecular materials.:Introduction 1 1 Basic Principles 5 1.1 The Scanning Tunneling Microscope 6 1.2 Theory of STM/STS 8 1.2.1 Scanning Tunneling Microscopy 8 1.2.2 Scanning Tunneling Spectroscopy 12 1.2.3 dI/dV-maps and SPECGRIDs 15 1.3 Lateral Manipulation of Adsorbates 15 1.4 The Kondo Effect 17 1.4.1 Investigation of Kondo Systems by STM 19 2 Experimental Setup 23 2.1 LT-STM and UHV System 24 2.2 Substrates 26 2.2.1 Au(111) 26 2.2.2 Ag(100) 28 2.2.3 Cu(110) 28 2.2.4 Surface Preparation 29 2.3 The Molecules 29 2.3.1 aza-BODIPY 29 2.3.2 6Ph-CN 30 2.3.3 Co-(BiPADI)2, Co-BiPADI, and BiPADI 31 2.3.4 Sample Preparation 32 2.4 Organic Photovoltaics 32 3 Aza-BODIPY on Au(111) 35 3.1 Experimental Results 36 3.1.1 STM Images 36 3.1.2 Spectroscopy 38 3.1.3 Lateral Manipulation 38 3.2 Discussion 39 4 6Ph-CN on Au(111) 43 4.1 Experimental Results 44 4.1.1 STM Images 44 4.1.2 Temperature Dependent Nanostructure Formation 44 4.1.3 Spectroscopy 46 4.2 Discussion 47 5 Co-BiPADI on Ag(100) and Cu(110) 55 5.1 Experimental Results 56 5.1.1 Co-BiPADI on Ag(100) 56 5.1.1.1 STM Images and Identification 56 5.1.1.2 Adsorption Geometry 56 5.1.1.3 Spectroscopy and Kondo Resonance 59 5.1.1.4 Temperature Dependent Measurements 63 5.1.1.5 SPECGRID Measurements and Comparison with Molecular Structure 64 5.1.1.6 Interaction of Several Co-BiPADI Molecules and Related Changes of Their Kondo Resonances 67 5.1.1.7 Determination of Adsorption Position of Molecules in SPECGRID Measurements 69 5.1.2 Co-BiPADI on Cu(110) 71 5.1.2.1 STM Images and Identification 71 5.1.2.2 STS Measurements and dI/dV Maps 72 5.2 Discussion 74 6 Co-(BiPADI)2 on Au(111) 81 6.1 Experimental Results 82 6.1.1 STM Images 82 6.1.2 Spectroscopy 82 6.2 Discussion 86 7 Conclusions and Outlook 89 Bibliography 93 List of Publications 101 Acknowledgments 103 A Appendices 105 A.1 Fitting Routine for Kondo STS 105 A.2 Background Subtraction in Kondo STS 107 A.3 MATLAB Fitting Tool fit.m 107 A.4 Import Routine and Fitting Script for SPECGRID Files 111 A.5 Calibration of Piezo Constants from Atomically Resolved Images 112 A.5.1 Au(111) 112 A.5.2 Ag(100) 112 Confirmation 113 / In dieser Arbeit werden organische Moleküle, Derivate von BODIPY und poly-para-Phenyl, auf verschiedenen Metalloberflächen mittels Tief-Temperatur Rastertunnelmikroskopie (LT-STM) untersucht. Diese Moleküle sind wichtig für die Entwicklung von molekularer Elektronik und Spintronik. Ich zeige, dass aza-BODIPY-Moleküle eine schwache chemische Bindung mit dem Au(111)- Substrat eingehen und die molekulare Struktur bei der Adsorption deutlich verändert wird. Wegen der geringen Rauigkeit der Au(111)-Oberfläche wird bereits bei einer angelegten Spannungen über ±1 V die Diffusion der Moleküle beobachtet. Die temperaturabhängige Bildung verschiedener molekularer Nanostrukturen aus poly-para-Phenyl und frei beweglichen Goldatomen wird diskutiert. Die diffundierenden Goldatome agieren hierbei als Koordinationszentren für die Cyanogruppen am einen Ende der Moleküle. Die Struktur der supramolekularen Anordnungen verändert sich dabei in einem Temperaturbereich von nur 60 K vollkommen. Außerdem beschäftige ich mich in dieser Arbeit mit der Hybridisierung atomare Orbitale im molekularen Verbund. Die Kondo-Resonanz eine Co-Atoms, welches in einem anderen aza-BODIPY-Derivat gebunden ist, wird detailliert auf der Ag(100)-Oberfläche untersucht. Die Hybridisierung des atomaren Co-Orbitals mit den molekularen Orbitalen des organischen Liganden wird an Hand von Spektroskopiemessungen mit submolekularer Auflösung gezeigt. Die veränderte Form der Kondo-Resonanz für dieses Molekül-Substrat-System wird diskutiert. Diese Daten werden mit Messungen an Co-Atomen in anderen molekularen Bindungsschemen und auf anderen Substraten verglichen um dieWichtigkeit der lokalen Umgebung für molekulare Materialien zu verdeutlichen.:Introduction 1 1 Basic Principles 5 1.1 The Scanning Tunneling Microscope 6 1.2 Theory of STM/STS 8 1.2.1 Scanning Tunneling Microscopy 8 1.2.2 Scanning Tunneling Spectroscopy 12 1.2.3 dI/dV-maps and SPECGRIDs 15 1.3 Lateral Manipulation of Adsorbates 15 1.4 The Kondo Effect 17 1.4.1 Investigation of Kondo Systems by STM 19 2 Experimental Setup 23 2.1 LT-STM and UHV System 24 2.2 Substrates 26 2.2.1 Au(111) 26 2.2.2 Ag(100) 28 2.2.3 Cu(110) 28 2.2.4 Surface Preparation 29 2.3 The Molecules 29 2.3.1 aza-BODIPY 29 2.3.2 6Ph-CN 30 2.3.3 Co-(BiPADI)2, Co-BiPADI, and BiPADI 31 2.3.4 Sample Preparation 32 2.4 Organic Photovoltaics 32 3 Aza-BODIPY on Au(111) 35 3.1 Experimental Results 36 3.1.1 STM Images 36 3.1.2 Spectroscopy 38 3.1.3 Lateral Manipulation 38 3.2 Discussion 39 4 6Ph-CN on Au(111) 43 4.1 Experimental Results 44 4.1.1 STM Images 44 4.1.2 Temperature Dependent Nanostructure Formation 44 4.1.3 Spectroscopy 46 4.2 Discussion 47 5 Co-BiPADI on Ag(100) and Cu(110) 55 5.1 Experimental Results 56 5.1.1 Co-BiPADI on Ag(100) 56 5.1.1.1 STM Images and Identification 56 5.1.1.2 Adsorption Geometry 56 5.1.1.3 Spectroscopy and Kondo Resonance 59 5.1.1.4 Temperature Dependent Measurements 63 5.1.1.5 SPECGRID Measurements and Comparison with Molecular Structure 64 5.1.1.6 Interaction of Several Co-BiPADI Molecules and Related Changes of Their Kondo Resonances 67 5.1.1.7 Determination of Adsorption Position of Molecules in SPECGRID Measurements 69 5.1.2 Co-BiPADI on Cu(110) 71 5.1.2.1 STM Images and Identification 71 5.1.2.2 STS Measurements and dI/dV Maps 72 5.2 Discussion 74 6 Co-(BiPADI)2 on Au(111) 81 6.1 Experimental Results 82 6.1.1 STM Images 82 6.1.2 Spectroscopy 82 6.2 Discussion 86 7 Conclusions and Outlook 89 Bibliography 93 List of Publications 101 Acknowledgments 103 A Appendices 105 A.1 Fitting Routine for Kondo STS 105 A.2 Background Subtraction in Kondo STS 107 A.3 MATLAB Fitting Tool fit.m 107 A.4 Import Routine and Fitting Script for SPECGRID Files 111 A.5 Calibration of Piezo Constants from Atomically Resolved Images 112 A.5.1 Au(111) 112 A.5.2 Ag(100) 112 Confirmation 113

It is an aim of this work to provide insight into the energetic influence on the ordering of molecular thin films on crystalline substrates. Here, the term substrate either refers to inorganic crystal surfaces or highly ordered layers of another organic molecular species. In order to calculate the total interface potential of extended molecular domains, a new calculation technique (GRID technique) is developed in the first part of this work. Compared to the standard approach, this method accelerates the potential calculation drastically (times 10000). The other parts of the thesis are dedicated to the comparison of experimental results (obtained by scanning tunneling microscopy and electron diffraction) to the optimal layer structure as predicted by optimization calculations. Potential calculations which are performed for the system perylenetetracarboxylicdianhydride (PTCDA) on graphite demonstrate that point-on-line coincident structures correspond to energetically favorable alignments of the molecular lattice with respect to the substrate lattice. The capability of the GRID technique to predict the optimal layer structure is demonstrated for the system peri-hexabenzocoronene (HBC) on graphite. The organic-organic heteroepitaxy system PTCDA on HBC on graphite is investigated in order to clarify to which extent the ordering mechanism there differs from that of the organic-inorganic heteroepitaxy system PTCDA on graphite. As a result of this investigation, a new type of epitaxy, i.e., substrate induced ordering is found. This new epitaxy type is governed by the inner structure of the substrate lattice unit cell. Here, the substrate surface is a layer of organic molecules itself, hence the substrate surface unit cell does indeed exhibit a complex inner structure. A generalized classification scheme for epitaxial growth incorporating this new type of epitaxy is proposed. In the last chapter, the structure of the first layers of titanylphthalocyanine (TiOPc) on Au(111) is investigated and compared to potential optimization calculations. The correspondence of experimental and theoretical results provides evidence that the GRID technique can, in principle, also be applied to molecular layers on metal surfaces. / Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Einblicke in die energetischen Einflüsse, die zur Ausbildung der Schichtstruktur organischer Moleküle auf kristallinen Substraten führen, zu geben. Diese Substrate sind entweder Oberflächen anorganische Kristalle oder selbst hochgeordnete Molekülschichten. Um das totale Grenzflächenpotential ausgedehnter Moleküldomänen berechnen zu können, wird im ersten Teil der Arbeit eine neue Berechnungsmethode (GRID Technik) vorgestellt. Im Vergleich mit herkömmlichen Berechnungsmethoden auf der Basis molekülmechanischer Kraftfelder ist diese neue Methode daher um ein Vielfaches schneller (Faktor 100000). Die folgenden Teile der Arbeit sind dem Vergleich experimenteller Ergebnisse (Rastertunnelmikroskopie und Elektronenbeugung) mit, durch Potentialoptimierungsrechnungen als energetisch günstig vorhergesagten, Schichtstrukturen gewidmet. So kann für das System Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) auf Graphit mittels Potentialberechnungen nachgewiesen werden, daß die experimentell gefundenen ?Point-on-line koinzidenten? Strukturen energetisch günstige Anordnungen des Molekülgitters bezüglich des Substratgitters darstellen. Die Eignung der neuen Berechnungsmethode zur Vorhersage der günstigsten Adsorbatgitterstruktur für ein gegebenes System aus Molekül und Substrat, wird anhand des Systems peri-Hexabenzocoronen (HBC) auf Graphit demonstriert. Das organisch-organische Heteroepitaxiesystem PTCDA auf HBC auf Graphit wird untersucht, um zu klären, inwieweit sich die dafür gültigen Ordnungsmechanismen von denen unterscheiden, die für das Wachstum des organisch-anorganischen Heteroepitaxiesystems PTCDA auf Graphit verantwortlich sind. Dabei gelingt es, eine bisher nicht klassifizierte Art von Epitaxie, d.h. substratinduzierter Ordnung, nachzuweisen. Dieser neue Epitaxietyp ist bedingt durch die innere Struktur einer Substrateinheitszelle - das Substrat ist ja hier selbst eine Schicht geordneter Moleküle, die natürlich eine innere Struktur aufweisen. Im folgenden wird ein verallgemeinertes Klassifizierungssystem für Epitaxietypen abgeleitet, welches den neuen Epitaxietyp beinhaltet. Im letzten Kapitel wird die Struktur von der ersten Lagen von Titanylphthalocyanin (TiOPc) auf Au(111) experimentell untersucht und mit entsprechenden Potentialoptimierungsrechnungen verglichen. Die Übereinstimmung von experimentellen und theoretischen Ergebnissen zeigt, daß die GRID Technik, zumindest prinzipiell, auch für Molekülschichten auf Metallsubstraten anwendbar ist.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es ein Molekül zu finden und mittels hochauflösender Techniken zu untersuchen, das auf passivierten Halbleiteroberflächen als Schalter in atomaren Schaltkreisen wirken kann. Für diesen Zweck stehen Moleküle zur Verfügung, die aus mindestens einem aromatischen Ring und einer Ankergruppe bestehen, die kovalent auf Silizium bindet. Um einzelne Moleküle auf leitenden Substraten zu untersuchen, hat sich die Nutzung eines Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskops (low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM) als geeignetes Werkzeug erwiesen. Zum Einen ist damit die topographische und spektroskopische Charakterisierung von leitenden Proben auf atomarer Ebene möglich, zum Anderen können einzelne Moleküle und Nanostrukturen hochpräzise bewegt oder elektrisch angesprochen werden. Atomare Schaltkreise können besonders präzise auf passivierten Halbleiteroberflächen hergestellt werden. So ist es zum Beispiel möglich, eine Reihe Wasserstoffatome gezielt mit Hilfe einer STM-Spitze von der Oberfläche zu desorbieren. Durch die Überlappung der dann freien Orbitale entstehen, je nach Richtung auf der Oberfläche, atomare Drähte mit unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Da die Drähte empfindlich hinsichtlich ihrer chemischen Umgebung sind, können diese auch als logische Schaltelemente verwendet werden. Dafür werden die Drähte mit einzelnen Molekülen angesteuert. Geeignete Schaltmoleküle wurden zunächst auf der Au(111)-Oberfläche getestet. Dabei konnten grundlegende und interessante Eigenschaften von selbst-assemblierten Strukturen untersucht werden. Am Modellsystem von nicht-kovalent gebundenen 4-Acetylbiphenyl-Nanostrukturen auf Gold (111) wurde eine neue Methode entwickelt diese Molekülgruppen behutsam zu bewegen. Durch Anlegen eines Spannungspulses auf den Nanostrukturen konnten diese auf der Oberfläche über weite Strecken gezielt und ohne Beeinflussung der internen Struktur positioniert werden. Um Moleküle für zukünftige elektronische Anwendungen zu untersuchen wurde zunächst das Verfahren zur Präparation von sauberen Siliziumoberflächen in die hier verwendeten Anlage implementiert. Es konnten reproduzierbar saubere, (2×1) rekonstruierte Si(100)- Oberflächen präpariert und charakterisiert werden. Nach der erfolgreichen Präparation von Silizium-Oberflächen und der Entwicklung geeigneter Präparationsrezepte für das Schalter-Molekül 4-Acetylbiphenyl (ABP) wurden beide Systeme vereint. Das Molekül konnte erfolgreich auf die Silizium(100)-Oberfläche aufgebracht und die native Adsorptionskonfiguration durch das Anlegen von Spannungspulsen geändert werden. Das Schalten zwischen zwei Konfigurationen ist reproduzierbar und umkehrbar. ABP ist somit der erste umkehrbare molekulare Schalter, der jemals auf Silizium realisiert werden konnte. Bei der Untersuchung technomimetischer Moleküle in Radachsen-Form konnte bisher die Rollbewegung nur anhand der Analyse der Manipulationskurven nachvollzogen und belegt werden. In dieser Arbeit wurde das Rollen eines Nano-Radmoleküls bewiesen. Dazu wurde bei der Synthese in einem Teil der Subphthalocyanin-Räder eine Markierung in Form eines Stickstoffatoms gesetzt. Bei der lateralen Manipulation der Räder auf Gold(111) konnte dann durch Vergleich der STM-Bilder die Markierung verfolgt und darauf geschlossen werden, ob das Rad gerollt oder verschoben wurde. / The aim of this thesis is the investigation of switching properties of single organic molecules, which can be used as molecular latches on a passivated silicon surface. Suitable molecules should be composed of an anchor group that can bind covalently to the silicon surface as well as an aromatic ring for the latching effect. For the imaging as well as the manipulation of single molecules on conductive substrates, a low-temperature scanning tunneling microscope, LT-STM, is a versatile and powerful tool. On the one hand, STM provides topographical and spectroscopic characterization of single molecules on conductive surfaces at the atomic level. On the other hand, under the tip of a STM single molecules and nanostructures can be moved with atomic precision or can be addressed by voltage pulses. Moreover, by STM it is possible to build atomic-scale circuits on passivated semiconducting surfaces as silicon (100). The STM tip is used to extract single hydrogen atoms from the surface to built atomic wires. As the orbitals of the depassivated dangling bonds of the silicon surface overlap differently depending on the direction of the wire in reference to the surface reconstruction, the electrical properties of the wires differ. Moreover, the properties of the wires vary depending on the chemical environment. Taking advantage of these characteristics, the atomic wires can be used as atomic-scale logic elements. However, to bring the input signal to a single logic element, latches are required to controllably passivate and depassivate single dangling-bond pairs. During preliminary studies on possible molecular latches, interesting experiments could be performed on 4-acetylbiphenyl (ABP) on Au(111). The molecules self assemble in non-covalently bond groups of three or four molecules. These groups can be moved controllably by applying voltage pulses on top of the supramolecular structure. The manipulation is possible over long ranges and without losing the internal structure of the assemblies. For the investigation of promising candidates for future molecular electronics on silicon, a preparation procedure tailored to the used UHV machine was developed. During this process, clean (2×1) reconstructed Si(100) surfaces could be prepared reproducibly and were characterized by means of STM imaging and spectroscopy. Switches are essential for electronic circuitry, on macroscopic as well as microscopic level. For the implementation of molecular devices on silicon, ABP is a promising candidate for a latch. In this thesis, ABP was successfully deposited on Si(100) and was switched by applying voltage pulses on top of the molecule. Two stable conformations were found and switching was realized reproducibly and reversibly. In the last part of this work, the rolling of a double-wheel technomimetic molecule was demonstrated. This thesis shows the rolling of a nanowheel on Au(111) as opposed to pushing, pulling or sliding. For this, the subphthalocyanine wheels were tagged by nitrogen during their synthesis. As this tag has different electronic properties than the rest of the wheel, it can be monitored in the STM images. By comparing the images before and after the manipulation the position of the tag proves the actual rolling.

A coupling-limited approach for the Ullmann reaction-like on-surface synthesis of a two-dimensional covalent organic network starting from a halogenated metallo-porphyrin is demonstrated. Copper-octabromo-tetraphenylporphyrin molecules can diffuse and self-assemble when adsorbed on the inert Au(111) surface. Splitting-off of bromine atoms bonded at the macrocyclic core of the porphyrin starts at room temperature after the deposition and is monitored by X-ray photoelectron spectroscopy for different annealing steps. Direct coupling between the reactive carbon sites of the molecules is, however, hindered by the molecular shape. This leads initially to an ordered non-covalently interconnected supramolecular structure. Further heating to 300 °C and an additional hydrogen dissociation step is required to link the molecular macrocycles via a phenyl group and form large ordered polymeric networks. This approach leads to a close-packed covalently bonded network of overall good quality. The structures are characterized using scanning tunneling microscopy. Different kinds of lattice defects and, furthermore, the impact of polymerization on the HOMO–LUMO gap are discussed. Density functional theory calculations corroborate the interpretations and give further insight into the adsorption of the debrominated molecule on the surface and the geometry and coupling reaction of the polymeric structure. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

In this work, a Au(100) single crystal was used as substrate for organic molecular beam epitaxy. Highly ordered organic thin films of the molecules 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) and hexa-peri-hexabenzo-coronene (HBC) as well as organic-organic heterostructures on reconstructed Au(100) were prepared. The molecular arrangement was characterized in Scanning Tunneling Microscopy and Low Energy Electron Diffraction investigations. Scanning Tunneling Spectroscopy data were recorded on monolayer and submonolayer PTCDA films. Measurements on closed PTCDA layers at different fixed tip sample separations revealed a peak +0.95V. Other measurements performed consecutively on a PTCDA island and on uncovered Au(100) areas showed that this peak is indeed caused by the PTCDA molecules. Another set of consecutive measurements on herringbone and square phase PTCDA islands indicates that in the normalized differential conductivity the peak shape and peak position depend on the molecular arrangement. The STS data are compared to UPS and IPES results, already published. In the case of highly ordered films of HBC on Au(100) it was possible to derive the energetic positions of the HBC frontier orbitals and the energies of the molecular states next to these frontier orbitals from Tunneling Spectroscopy measurements. These measurements were performed using two different tip materials. The results are compared to UPS measurements, to theoretical calculations of the electronic conductance based on a combination of the Landauer transport formalism with a density-functional-parametrized tight-binding scheme within the Local Density Approximation (LDA) as well as semiempirical quantum chemistry calculations. / Für die hier dargestelleten Arbeiten wurde ein Au(100) Einkristall als Substrat für die organische Molekularstrahlepitaxie verwendet. Hochgeordnete organische Dünnschichten der Moleküle 3,4,9,10-Perylen-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Hexa-peri-hexabenzo-coronen (HBC) sowie organisch-organische Heteroschichten wurden auf der Au(100) Oberfläche abgeschieden. Die Struktur der Schichten wurde mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) untersucht. Tunnelspektroskopiedaten wurden für Monolagen sowie Submonolagen von PTCDA aufgenommen. Messungen an geschlossenen PTCDA Filmen zeigen für verschiedene Probe-Spitze-Abstände ein Maximum in der normierten differentiellen Leitfähigkeit bei +0.95V. Aufeinanderfolgende Messungen auf PTCDA-Inseln und unbedeckten Gebieten der Au(100) Oberfläche zeigen eindeutig, dass dieses Maximum auf die PTCDA Moleküle zurückzuführen ist. Weitere Messungen an PTCDA Inseln unterschiedlicher Struktur (Fischgrätenstruktur bzw. quadratische Struktur) belegen einen Zusammenhang zwischen der Anordnung der Moleküle und der Peakposition bzw. Peakform in der normierten differentiellen Leitfähigkeit. Die STS Daten werden mit UPS und IPES Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Im Falle hochgeordneter HBC Schichten auf Au(100) war es möglich, neben dem höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbital auch die energetische Position der jeweils nächsten Orbitale zu bestimmen. Diese Messungen wurden mit zwei unterschiedlichen Spitzenmaterialien durchgeführt. Die Ergebnisse für HBC auf Au(100) werden mit UPS Daten sowie mit theoretischen Rechnungen verglichen.

It is an aim of this work to provide insight into the energetic influence on the ordering of molecular thin films on crystalline substrates. Here, the term substrate either refers to inorganic crystal surfaces or highly ordered layers of another organic molecular species. In order to calculate the total interface potential of extended molecular domains, a new calculation technique (GRID technique) is developed in the first part of this work. Compared to the standard approach, this method accelerates the potential calculation drastically (times 10000). The other parts of the thesis are dedicated to the comparison of experimental results (obtained by scanning tunneling microscopy and electron diffraction) to the optimal layer structure as predicted by optimization calculations. Potential calculations which are performed for the system perylenetetracarboxylicdianhydride (PTCDA) on graphite demonstrate that point-on-line coincident structures correspond to energetically favorable alignments of the molecular lattice with respect to the substrate lattice. The capability of the GRID technique to predict the optimal layer structure is demonstrated for the system peri-hexabenzocoronene (HBC) on graphite. The organic-organic heteroepitaxy system PTCDA on HBC on graphite is investigated in order to clarify to which extent the ordering mechanism there differs from that of the organic-inorganic heteroepitaxy system PTCDA on graphite. As a result of this investigation, a new type of epitaxy, i.e., substrate induced ordering is found. This new epitaxy type is governed by the inner structure of the substrate lattice unit cell. Here, the substrate surface is a layer of organic molecules itself, hence the substrate surface unit cell does indeed exhibit a complex inner structure. A generalized classification scheme for epitaxial growth incorporating this new type of epitaxy is proposed. In the last chapter, the structure of the first layers of titanylphthalocyanine (TiOPc) on Au(111) is investigated and compared to potential optimization calculations. The correspondence of experimental and theoretical results provides evidence that the GRID technique can, in principle, also be applied to molecular layers on metal surfaces. / Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Einblicke in die energetischen Einflüsse, die zur Ausbildung der Schichtstruktur organischer Moleküle auf kristallinen Substraten führen, zu geben. Diese Substrate sind entweder Oberflächen anorganische Kristalle oder selbst hochgeordnete Molekülschichten. Um das totale Grenzflächenpotential ausgedehnter Moleküldomänen berechnen zu können, wird im ersten Teil der Arbeit eine neue Berechnungsmethode (GRID Technik) vorgestellt. Im Vergleich mit herkömmlichen Berechnungsmethoden auf der Basis molekülmechanischer Kraftfelder ist diese neue Methode daher um ein Vielfaches schneller (Faktor 100000). Die folgenden Teile der Arbeit sind dem Vergleich experimenteller Ergebnisse (Rastertunnelmikroskopie und Elektronenbeugung) mit, durch Potentialoptimierungsrechnungen als energetisch günstig vorhergesagten, Schichtstrukturen gewidmet. So kann für das System Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) auf Graphit mittels Potentialberechnungen nachgewiesen werden, daß die experimentell gefundenen ?Point-on-line koinzidenten? Strukturen energetisch günstige Anordnungen des Molekülgitters bezüglich des Substratgitters darstellen. Die Eignung der neuen Berechnungsmethode zur Vorhersage der günstigsten Adsorbatgitterstruktur für ein gegebenes System aus Molekül und Substrat, wird anhand des Systems peri-Hexabenzocoronen (HBC) auf Graphit demonstriert. Das organisch-organische Heteroepitaxiesystem PTCDA auf HBC auf Graphit wird untersucht, um zu klären, inwieweit sich die dafür gültigen Ordnungsmechanismen von denen unterscheiden, die für das Wachstum des organisch-anorganischen Heteroepitaxiesystems PTCDA auf Graphit verantwortlich sind. Dabei gelingt es, eine bisher nicht klassifizierte Art von Epitaxie, d.h. substratinduzierter Ordnung, nachzuweisen. Dieser neue Epitaxietyp ist bedingt durch die innere Struktur einer Substrateinheitszelle - das Substrat ist ja hier selbst eine Schicht geordneter Moleküle, die natürlich eine innere Struktur aufweisen. Im folgenden wird ein verallgemeinertes Klassifizierungssystem für Epitaxietypen abgeleitet, welches den neuen Epitaxietyp beinhaltet. Im letzten Kapitel wird die Struktur von der ersten Lagen von Titanylphthalocyanin (TiOPc) auf Au(111) experimentell untersucht und mit entsprechenden Potentialoptimierungsrechnungen verglichen. Die Übereinstimmung von experimentellen und theoretischen Ergebnissen zeigt, daß die GRID Technik, zumindest prinzipiell, auch für Molekülschichten auf Metallsubstraten anwendbar ist.

This thesis presents investigations on hydrogenated graphene by scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/STS) as well as the implementation of spin-polarized STM. Preparation processes for a magnetic standard sample and spin-sensitive chromium tips are developed. The measurements on graphene reveal specific hydrogen adsorption sites in low coverage and the formation of a pattern at higher coverage. Both is found to be in agreement with previous predictions and calculations. Upon hydrogenation, an impurity midgap state emerges in the density of states which is measured directly for the first time. Complementing angle resolved photoemission experiments confirm that this state is dispersionless over the whole Brillouin zone. A routine is developed to prepare the standard sample system of ultra-thin iron films on tungsten (Fe/W(110)). Investigations on this system confirm the magnetic properties known from literature, including the presence of a spin spiral, and prove that it is well suited for the characterization of spin-polarized tips. Different approaches for the preparation of tips from the antiferromagnetic material chromium are tested. Among these, a promising new method is presented: The coating of crystalline chromium tips with fresh chromium material suggests reproducibility of the tip characteristics. The performance of the produced tips in STM measurements is excellent in regard to a fixed spin-polarization, high resolution and stability. Especially, a recovery of the tip magnetization direction proposed in this thesis makes this new preparation method superior to all processes yielding antiferromagnetic tips reported so far. / Inhalt der vorliegenden Arbeit sind Untersuchungen von hydogeniertem Graphen mittels Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie (RTM/RTS) sowie die Einführung spin-polarisierter RTM. Im Rahmen dessen wurden Präparationsprozesse für magnetische Standardproben und spin-sensitive Chrom-Spitzen entwickelt. Die Messungen an Graphen zeigen spezifische Wasserstoff-Adsorptionsstellen bei geringer Bedeckung und die Ausbildung eines Musters bei höherer Bedeckung, jeweils in Übereinstimmung mit Vorhersagen und Berechnungen. Der durch Hydrogenierung entstehende Störstellenzustand in der Bandlücke der Zustandsdichte wurde zum ersten Mal direkt gemessen. Ergänzende winkelaufgelöste Photoelektronenspektroskopieexperimente bestätigen, dass dieser Zustand in der gesamten Brillouinzone dispersionsfrei ist. Ein Verfahren zur Herstellung magnetischer Standardproben aus ultradünnen Eisenfilmen auf Wolfram (Fe/W(110)) wurde entwickelt. RTM-Untersuchungen an diesem System bestätigen die bereits aus der Literatur bekannten magnetischen Eigenschaften, insbesondere das Vorhandensein einer Spinspirale. Damit ist Fe/W(110) hervorragend geeignet für die Charakterisierung spin-polarisierter Spitzen. Verschiedene Ansätze, die zur Herstellung von Spitzen aus dem antiferromagnetischen Material Chrom verfolgt wurden, werden präsentiert, darunter auch eine vielversprechende neue Methode: Das Aufwachsen eines frischen Chromfilms auf kristalline Spitzen desselben Materials verspricht eine Reproduzierbarkeit von Spitzeneigenschaften. Der Einsatz von so hergestellten Spitzen in RTMMessungen ist geprägt von einer festgelegten Spin-Polarisation, hohem Auflösungsvermögen und Stabilität. Insbesondere die mögliche Reproduzierbarkeit der Magnetisierungsrichtung, die in dieser Arbeit diskutiert wird, macht diese Methode allen bisher berichteten Herstellungprozessen antiferromagnetischer Spitzen überlegen.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Untersuchung molekularer organischer Adsorbate mit Hilfe der Raster-Tunnel-Mikroskopie und -Spektroskopie im Ultrahochvakuum (UHV). Als Modellsubstanzen dienen Coronen, verschiedene Phthalo-cyanin-farbstoffe sowie je ein nematischer und ein discotischer Flüssigkristall. Mono- und Submonolagen dieser Substanzen werden hinsichtlich ihrer Adsorbatstruktur auf kristallographisch definierten Festkörper-oberflächen untersucht. Die dabei gewonnenen STM-Bilder zeigen die molekular und submolekular aufgelöste Struktur der Adsorbate. Die Untersuchung von Submonolagen zweier Metall-Phthalocyanine bei tiefen Temperaturen zeigt eine Bildung molekularer Ketten. Zur Ermittlung der elektronischen Eigenschaften der Moleküle werden molekulare Mono- und Submonolagen mit Hilfe der Raster-Tunnel-Spektroskopie (STS) bei Raumtemperatur und bei tiefen Temperaturen untersucht. Einige der Substanzen ermöglichen die Messung sehr stabiler lokaler Tunnelstromkennlinien. Die Ergebnisse der STS-Experimente an Coronen werden mit Resultaten von ab-initio-Rechnungen der Molekül-orbitalstruktur verglichen. / The work describes experimental investigations of molecular organic adsorbates in ultra high vacuum (UHV) by scanning tunneling microscopy (STM) and scanning tunneling spectroscopy (STS). Coronene, several phthalocyanine dyes, and both a nematic and a discotic liquid crystal are chosen as model substances. Mono- and submonolayers of these substances adsorbed onto crystallographically well-defined surfaces are observed by STM with regard to their adsorbate structure. The STM images reveal the molecular and intramolecular structure of the adsorbates. Submonolayers of two metal phthalocyanines, observed at low temperatures, reveal the formation of molecular chains. With special regard to the electronic properties, such ultra thin films are investigated by scanning tunneling spectroscopy (STS), both at room temperature and at helium-cooled low temperatures. Some of the substances allow the collection of very stable local STS curves. The STS data coincide very well with the results of ab-initio calculations of their molecular orbital structure.

Gegenstand der vorliegenden Arbeit sind ultradünne Filme organischer Moleküle auf anorganischen Substraten. Adsorbate wurden in Bedeckungen von Submonolagen bis hin zu Multilagen mittels Raster-Tunnel-Mikroskopie und Spektroskopie untersucht. Ergänzt wurde die Strukturaufklärung durch die Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED). Im Mittelpunkt stehen in-situ Untersuchungen von im UHV aufgedampften Schichten. Darüberhinaus werden Experimente zur Erzeugung, Abbildung und Manipulation selbstassemblierter Monolagen an der flüssig-fest Grenzfläche beschrieben. Als Modell-Substanzen wurden Coronen, Zinn- und Palladium-Phthalocyanin, Naphthalocyanin sowie Trimesinsäure ausgewählt. Auf Ag(111) konnte bei geringer Bedeckung des planaren Coronens die Wechselwirkung mit dem Oberflächenzustand anhand von stehenden Elektronenwellen nachgewiesen werden. Sowohl auf Ag(111) als auch auf Graphit(0001) konnten für Coronen Monolagen kommensurable Überstrukturen gefunden werden. Für Palladium- und Zinn-Phthalocyanin offenbarte sich auf Ag(111) die Koexistenz von geordneten und ungeordneten Phasen. Wobei es für Palladium-Pc sowohl in der kristallinen als auch in der ungeordneten Phase Indizien für eine höhere Mobilität der Moleküle gibt. Im Fall des nicht planaren Zinn-Pc konnten zwei verschiedene Adsorptionsgeometrien des Moleküls mit dem STM eindeutig unterschieden werden. Die etwas größere Molekülstruktur des Naphthalocyanins bedingt eine Herauf-Skalierung der Einheitszelle, wie sie typischerweise bei Phthalocyaninen beobachtet wird. Ferner ließ sich eine eindeutige Abhängigkeit des intramolekularen Kontrastes vom Vorzeichen der Tunnelspannung durch zweimaligen Wechsel der Polarität im selben Bild zweifelsfrei belegen. Hierbei konnten die submolekularen Strukturen mit simulierten Molekülorbitalen isolierter Moleküle interpretiert werden. Bei den durch Wasserstoffbrücken-Bindungen stabilisierten offenen Netzwerken der Trimesinsäure (TMA) auf Graphit konnte je nach Lösungsmittel an der flüssig-fest Grenzfläche entweder die "Flower"- oder "Chickenwire"-Struktur eingestellt werden. Zudem konnte die Eignung dieser Schicht als Wirt-Gast-System durch die Einlagerung von C60-Fullerenen und Coronen demonstriert werden. Außerdem gelang die Manipulation einzelner C60 im TMA-Templat mit der STM-Spitze in flüssiger Umgebung bei Raumtemperatur.