In this thesis, the electronic properties in superconducting LiFeAs single crystal are investigated using low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/S) at various temperatures. For this purpose, the differential conductance (dI/dV) measured by STS which is directly proportional to the local density of states (LDOS) of the sample to the sub-atomic precision, is used together with the topography information. The dI/dV spectra within the ±1 V energy range reveal a characteristic feature at around -350 mV to -400 mV in stoichiometric LiFeAs. This feature seems to be a universal property among all the Fe-based high temperature superconductors, because it is also found in Fe0.965Se1.035 and NaFe0.975Co0.025As single crystals at the energy of -210 mV and -200 mV, respectively. The temperature dependent spectroscopy data averaged over a spatially fixed clean area of 2 nm × 2 nm are successfully executed between 5 K and 20 K. The two distinct superconducting phases with critical temperatures Tc = 16 K and 18 K are observed. In addition, the distance between the dip position outside the superconducting gap and the superconducting coherence peak in the spectra remains temperature independent which confirms that it is not connected to an antiferromagnetic (AFM) spin resonance. The temperature dependent spectra have been measured between 5 K and 61 K within the energy range of ±100 mV as well. The hump structure at 42 mV tends to disappear around 60 K from unknown origin. The temperature dependent quasiparticle interference (QPI) has been studied within the temperature range between 6.7 K and 25 K and analyzed by the Fourier transformation of the measured spectroscopic maps. The dispersion plots in momentum space as a function of temperature show an enhancement of QPI intensity (±5.5 mV) within the superconducting gap at the Fermi level at 6.7 K near q ~ 0. This is interpreted on the basis of Andreev bound state. In both polarities outside of this, a depletion of QPI intensity is noticed between 5.5 mV and around 9 mV. At positive energies, the QPI intensity becomes very rich above 9 mV. The size of the enhanced QPI intensity near the Fermi level, and the edge of the rich QPI intensity beyond 9 mV are found to behave like superconducting order parameter with rising of temperature. Furthermore, an energy mode peaked at around 14 mV appears in the integrated QPI intensity below superconducting Tc (6.7 K). This is consistent with the observed peak at 1st derivative of the dI/dV spectra. In both of these cases, such 14 mV peak is suppressed at normal state (25 K). This mode is therefore directly related to superconductivity in LiFeAs. The off-stoichiometric LiFeAs single crystal with superconducting Tc of 6.5 K has a 10 mV rigid band shift of the Fermi level towards electron doping. The absence of the rich QPI intensity between 9 mV and 17 mV is found compared to the stoichiometric LiFeAs, and hence the 14 mV mode is absent here. This brings us to conclude once more time that such 14 mV energy mode is relevant for superconductivity in LiFeAs.

This thesis contains experimental studies on low dimensional systems by means of scanning tunneling microscopy (STM). These studies include investigations on dinickel molecular complexes and experiments on iron nanostructures used for the implementation of the spin-polarized scanning tunneling microscopy technique at the IFW-Dresden. Additionally, this work provides detailed information of the experimental technique (STM), from the theoretical background to the STM-construction, which was part of this doctoral work. Molecular anchoring and electronic properties of macrocyclic magnetic complexes on gold surfaces have been investigated by mainly scanning tunneling microscopy and complemented by X-rays photoelectron spectroscopy. Exchange–coupled macrocyclic complexes [Ni2L(Hmba)]+ were deposited via 4-mercaptobenzoate ligands on the surface of Au(111) single crystals. The results showed the success of gold surface-grafted magnetic macrocyclic complexes forming large monolayers. Based on the experimental data, a growth model containing two ionic granular structures was proposed. Spectroscopy measurements suggest a higher gap on the cationic structures than on the anionic ones. Furthermore, the film stability was probed by the STM tip with long-term measurements. This investigation contributes to a new promising direction in the anchoring of molecular magnets to metallic surfaces. Iron nanostructures of two atomic layers and iron-coated tungsten tips were used in order to implement the spin-polarized scanning tunneling microscopy technique at the IFW-Dresden. First of all, a systematic study of the iron growth, from sub-monolayers to multilayers on a W(110) crystal is presented. Subsequent to the well-understanding of the iron growth, the experiments were focused on revealing, for the first time at the IFW-Dresden, the magnetic inner structure of iron nanostructures. The results evidently showed the presence of magnetic domains of irregular shapes. Furthermore, SP-STM probed the bias voltage dependence of the magnetic contrast on the iron nanostructures. This technique opens up a new powerful research line at the IFW-Dresden which is promising for the study of quantum materials as molecular magnets and strongly correlated systems.

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.

Die vorliegende Arbeit beschreibt die experimentelle Untersuchung organischer Adsorbate mit Hilfe der Raster-Tunnel-Mikroskopie im Ultrahochvakuum (UHV) und an ambienten Bedingungen. Im Zentrum dieser Arbeit stehen Untersuchun-gen an selbstassemblierten Monolagen von Trimesinsäure. Eine vorgeschlagene Gast-Wirt-Struktur aus Trimesinsäure wurde erzeugt und mit submolekularer Auf-lösung abgebildet. Ferner ist es gelungen gezielt Gäste in die Wirtstruktur einzu-lagern und zu manipulieren. Als Gäste konnten, neben Trimesinsäure selbst, Coronen, Fullerene und Gold-Cluster gezeigt werden.

This thesis contains experimental studies on low dimensional systems by means of scanning tunneling microscopy (STM). These studies include investigations on dinickel molecular complexes and experiments on iron nanostructures used for the implementation of the spin-polarized scanning tunneling microscopy technique at the IFW-Dresden. Additionally, this work provides detailed information of the experimental technique (STM), from the theoretical background to the STM-construction, which was part of this doctoral work. Molecular anchoring and electronic properties of macrocyclic magnetic complexes on gold surfaces have been investigated by mainly scanning tunneling microscopy and complemented by X-rays photoelectron spectroscopy. Exchange–coupled macrocyclic complexes [Ni2L(Hmba)]+ were deposited via 4-mercaptobenzoate ligands on the surface of Au(111) single crystals. The results showed the success of gold surface-grafted magnetic macrocyclic complexes forming large monolayers. Based on the experimental data, a growth model containing two ionic granular structures was proposed. Spectroscopy measurements suggest a higher gap on the cationic structures than on the anionic ones. Furthermore, the film stability was probed by the STM tip with long-term measurements. This investigation contributes to a new promising direction in the anchoring of molecular magnets to metallic surfaces. Iron nanostructures of two atomic layers and iron-coated tungsten tips were used in order to implement the spin-polarized scanning tunneling microscopy technique at the IFW-Dresden. First of all, a systematic study of the iron growth, from sub-monolayers to multilayers on a W(110) crystal is presented. Subsequent to the well-understanding of the iron growth, the experiments were focused on revealing, for the first time at the IFW-Dresden, the magnetic inner structure of iron nanostructures. The results evidently showed the presence of magnetic domains of irregular shapes. Furthermore, SP-STM probed the bias voltage dependence of the magnetic contrast on the iron nanostructures. This technique opens up a new powerful research line at the IFW-Dresden which is promising for the study of quantum materials as molecular magnets and strongly correlated systems.

In this thesis, the electronic properties in superconducting LiFeAs single crystal are investigated using low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy (STM/S) at various temperatures. For this purpose, the differential conductance (dI/dV) measured by STS which is directly proportional to the local density of states (LDOS) of the sample to the sub-atomic precision, is used together with the topography information. The dI/dV spectra within the ±1 V energy range reveal a characteristic feature at around -350 mV to -400 mV in stoichiometric LiFeAs. This feature seems to be a universal property among all the Fe-based high temperature superconductors, because it is also found in Fe0.965Se1.035 and NaFe0.975Co0.025As single crystals at the energy of -210 mV and -200 mV, respectively. The temperature dependent spectroscopy data averaged over a spatially fixed clean area of 2 nm × 2 nm are successfully executed between 5 K and 20 K. The two distinct superconducting phases with critical temperatures Tc = 16 K and 18 K are observed. In addition, the distance between the dip position outside the superconducting gap and the superconducting coherence peak in the spectra remains temperature independent which confirms that it is not connected to an antiferromagnetic (AFM) spin resonance. The temperature dependent spectra have been measured between 5 K and 61 K within the energy range of ±100 mV as well. The hump structure at 42 mV tends to disappear around 60 K from unknown origin. The temperature dependent quasiparticle interference (QPI) has been studied within the temperature range between 6.7 K and 25 K and analyzed by the Fourier transformation of the measured spectroscopic maps. The dispersion plots in momentum space as a function of temperature show an enhancement of QPI intensity (±5.5 mV) within the superconducting gap at the Fermi level at 6.7 K near q ~ 0. This is interpreted on the basis of Andreev bound state. In both polarities outside of this, a depletion of QPI intensity is noticed between 5.5 mV and around 9 mV. At positive energies, the QPI intensity becomes very rich above 9 mV. The size of the enhanced QPI intensity near the Fermi level, and the edge of the rich QPI intensity beyond 9 mV are found to behave like superconducting order parameter with rising of temperature. Furthermore, an energy mode peaked at around 14 mV appears in the integrated QPI intensity below superconducting Tc (6.7 K). This is consistent with the observed peak at 1st derivative of the dI/dV spectra. In both of these cases, such 14 mV peak is suppressed at normal state (25 K). This mode is therefore directly related to superconductivity in LiFeAs. The off-stoichiometric LiFeAs single crystal with superconducting Tc of 6.5 K has a 10 mV rigid band shift of the Fermi level towards electron doping. The absence of the rich QPI intensity between 9 mV and 17 mV is found compared to the stoichiometric LiFeAs, and hence the 14 mV mode is absent here. This brings us to conclude once more time that such 14 mV energy mode is relevant for superconductivity in LiFeAs.

The on-surface reactions of 10-bromo-10'-(2,6-dimethylphenyl)-9,9'-bianthracene on Au(111) surface have been investigated by a combination of bond-resolved scanning tunneling microscopy, scanning tunneling spectroscopy, and tightbinding and mean-field Hubbard calculations. The reactions afford the synthesis of two open-shell nanographenes (1a and 1b) exhibiting different scenarios of all-carbon magnetism. 1a, an allbenzenoid nanographene with previously unreported triangulenelike termini, contains a high proportion of zigzag edges, which endows it with an exceedingly low frontier gap of 110 meV and edge-localized states. The dominant reaction product (1b) is a non-benzenoid nanographene consisting of a single pentagonal ring in a benzenoid framework. The presence of this nonbenzenoid topological defect, which alters the bond connectivity in the hexagonal lattice, results in a non-Kekulé nanographene with a spin S = ½, which is detected as a Kondo resonance. Our work provides evidence of all-carbon magnetism, and motivates the use of topological defects as structural elements toward engineering agnetism in carbon-based nanomaterials for spintronics.

I. Atomare Struktur Mittels Rastertunnelmikroskopie und Beugung langsamer Elektronen wird die atomare Struktur von vizinalen Cu(111)-Oberflächen untersucht. Der mittlere Stufenabstand auf den untersuchten Oberflächen deckt einen Bereich von ca. 1.0-2.5nm ab. Auf allen diesen Oberflächen wird ein regelmäßiges Stufenarray gefunden.Es wird gezeigt, dass das System Ag/Cu(223) ein gutes Beispiel für den Effekt der Selbstorganisation auf Kristalloberflächen darstellt. Durch die Ag-Adsorption im Bereich von 0-1ML wird eine periodische Facettierung der Cu(223)-Oberfläche induziert. Die Gleichgewichtsstruktur setzt sich aus Ag-bedeckten Facetten zusammen, die mit reinen Cu-Streifen alternieren. Die Breite der Cu- und der Ag-Streifen kann in einem Bereich von 3-30nm über die Ag-Bedeckung kontinuierlich eingestellt werden. II. Elektronische Struktur Mittels winkelaufgelöster Photoelektronen-Spektroskopie mit Synchrotron-Strahlung wird der Einfluss von Stufen auf den Oberflächenzustand von vizinalen Cu(111)-Oberflächen untersucht. Veränderungen bzgl. der Bindungsenergie werden im Rahmen eines eindimensionalen Kronig-Penny-Modells interpretiert. Als Ursache für das Kippen der Ausbreitungsebene bei einer kritischen Terrassenbreite (~1.7nm) wird die Überlagerung des Oberflächenzustands mit Volumenzuständen und dem damit verbundenen Übergang zur Oberflächenresonanz diskutiert. Bei dem System Ag/Cu(223) wird der Oberflächenzustand innerhalb der Cu-Streifen zum einen durch die Ag-Streifen lateral begrenzt, zum anderen ändert sich der mittlere Stufenabstand innerhalb der Cu-Streifen. Die hierbei gewonnenen Ergebnisse können im Vergleich mit den Ergebnissen diskutiert werden, die an den sauberen vizinalen Oberflächen gewonnen wurden. Mit größer werdender Bedeckung bildet sich ein neuer Zustand, dessen Ursprung in den Ag-Streifen liegt. Die beiden Zustände können in ihrer energetischen Lage und in ihrem Dispersionsverhalten unterschieden werden.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum der planaren aromatischen Moleküle Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Peri-Hexabenzocoronen (HBC) auf verschiedenen einkristallinen Oberflächen von Gold und Graphit untersucht. Zur Abscheidung der Moleküle und zur Herstellung dünner hochgeordnerter organischer Schichten wurde eine Molekularstrahlepitaxieanlage mit mehreren Kammern aufgebaut. Bei den Untersuchungen des Wachstums von PTCDA auf der Au(111)- und Au(100)-Fläche wurden drei Klassen von Strukturen gefunden: Eine Fischgrätenstruktur, deren Gitterparameter und molekulare Anordnung der (102)-Ebene des PTCDA-Kristalls entsprechen, eine quadratische Struktur, sowie eine Stabstruktur, die der (010)-Ebene des PTCDA-Kristalls zugeordnet werden kann. Während die Stabstruktur auf Au(100) ein inkommensurables Wachstum zeigt, konnten alle anderen PTCDA-Strukturen sowohl auf Au(111) als auch auf Au(100) als point-on-line epitaktisch klassifiziert werden. Die HBC-Schichten auf Au(111), Au(100)hex und Graphit zeigen abweichend von der Kristallstruktur eine hexagonale Symmetrie. Auf Graphit wächst HBC in einer kommensurablen Struktur. Auf den beiden Au-Oberflächen existieren mehrere Strukturen, die sich in ihrer Orientierung und ihren Gitterkonstanten unterscheiden. Neben einer dominierenden HBC-Struktur lassen sich auf den Au-Flächen weitere Strukturen beobachten, deren Auftreten durch den Bedeckungsgrad und die Substratmorphologie, d.h. die Stufenzahl und Terrassengröße des Substrates bestimmt wird. Alle diese HBC-Strukturen konnten als kommensurabel klassifiziert werden. Die Anordnung der HBC-Moleküle in Multilagen wurde für das System HBC auf Au(100)hex mit Hilfe molekularmechanischer Berechnungen modelliert. Die HBC-Moleküle sind in der zweiten Lage gegenüber denen der ersten Lage so verschoben, dass die C-Atome der Moleküle eine graphitähnliche Anordnung zeigen. Wie die STM Untersuchung der organischen Heteroschichten aus HBC und PTCDA zeigen, ist es möglich, epitaktische organische Heteroschichten auch von Molekülen herzustellen, die sich in ihren Gitterkonstanten und in der Symmetrie unterscheiden. Erstmals ließen sich derartige Schichten mittels Rastertunnelmikroskopie direkt und durch LEED auch im reziproken Raum abbilden. Aus dem in den STM Bildern sichtbaren Moirékontrast wurde die Orientierung der beiden organischen Gitter bestimmt. PTCDA wächst bezüglich des HBC-Gitters weder kommensurabel noch point-on-line koinzident, zeigt jedoch eine feste Winkelorientierung. Es handelt sich in diesem Fall um eine inkommensurable Struktur bezüglich des HBC-Gitters, die jedoch bezüglich des zugrundeliegenden Graphitgitters point-on-line Koinzidenz zeigt. Das Versagen der einfachen geometrischen Epitaxiemodelle kann in diesem Fall auf die Existenz mehrerer, energetisch nahezu gleichwertiger Adsorptionsplätze innerhalb der Einheitszelle des Substrates zurückgeführt werden.

Das grundlegende Verständnis der Adsorption, der Eigenschaften, und der Wechselwirkungen von komplexen organischen Molekülen auf Festkörperoberflächen ist für die Entwicklung neuer Anwendungen in der Nanotechnologie von entscheidender Bedeutung. Die in dieser Arbeit untersuchten funktionellen Bausteine gehören zu den Porphyrinen und Phthalocyaninen. Deren Adsorption, elektronische Struktur, und Reaktionen der Moleküle auf Edelmetalloberflächen wurden mit mehreren Methoden charakterisiert, insbesondere der Rastertunnelmikroskopie, Rastertunnelspektroskopie, Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie und Photoelektronenspektroskopie, welche zudem durch theoretische Simulationen unter Verwendung der Dichtefunktionaltheorie ergänzt wurden. Tetra(p-hydroxyphenyl)porphyrin Moleküle ordnen sich durch Selbstorganisation zu verschiedenen, durch Wasserstoffbrückenbindungen stabilisierten Nanostrukturen an, welche in Abhängigkeit von dem Substratoberflächengitter untersucht wurden um das komplizierte Zusammenspiel von Molekül−Molekül und Molekül−Substrat-Wechselwirkungen bei der Selbstorganisation zu verstehen. Erhitzen der Adsorbatschichten dieses Moleküls führt zu einer schrittweisen Deprotonierung, und außerdem konnte auch ein Schalten der Leitfähigkeit einzelner Porphyrin-Moleküle durch lokale Deprotonierung mittels Spannungspulsen demonstriert werden. Eine Polymerisationsreaktion, welche auf der Ullmann-Reaktion basiert, aber direkt auf einer Oberfläche stattfindet, wurde für Kupfer-octabromotetraphenylporphyrin Moleküle, die auf Au(111) adsorbiert sind, gefunden. Nach einer thermischen Abspaltung der Bromatome von den Molekülen reagieren dabei die Radikalmoleküle bei hohen Temperaturen miteinander und bilden geordnete, kovalent gebundene Netzwerke aus. Die Bromabspaltung und die nachfolgenden Reaktionen und Veränderungen der elektronischen Struktur der Moleküle wurden ausführlich für die Substratoberflächen Au(111) sowie Ag(110) untersucht. Weiterhin, wird die Adsorption und Selbstorganisation von metall-freien Phthalocyanin-Molekülen auf einer Ag(110)-Oberfläche, und deren Selbstmetallierungsreaktion mit Silberatomen des Substrats umfassend und verständlich beschrieben. Zuletzt wurden organische Hybrid-Grenzflächen zwischen verschiedenen Metall-Phthalocyaninen untersucht, wobei ein Ladungstransfer zwischen Kobalt- und Platin-Phthalocyanin-Molekülen gefunden wurde. Dotierung gemischter Metall-Phthalocyanin-Filme durch Einlagerung von Kaliumatomen und deren selektive Adsorption im Molekülgitter führt zu einer deutlichen Veränderung der elektronischen Eigenschaften, aufgrund einer Ladungsübertragung an die Kobalt-Phthalocyanin Moleküle.