For the investigation of single molecules on surfaces, STM under UHV and at low temperatures is the experimental technique of choice. Inelastic STM is, furthermore, able to manipulate the target structures and to induce chemical reactions or to control single molecule mechanics precisely. This thesis presents inelastic STM experiments on three different molecules as a tool for the electronic manipulation at a single molecule level. The first part of this work concerns the on-surface synthesis of dodecacene, the longest acene molecule obtained so far. Acenes as smallest zigzag edge graphene nanoribbons and model 1D electronic system play an important role in both experimental and theoretical science. Due to the high reactivity and low solubility of long acenes, precursor molecules were deoxygenated step wise in an on-surface reaction triggered by inelastic tunneling and through annealing at increasing temperatures. The molecular structure was proven by high resolution STM employing a CO functionalized tip. Additionally, the electronic states of the molecule were observed in the energy spectrum by STS and their spatial distribution was measured in dI/dV maps. The increase in the band gap compared to shorter acenes was explained by increasing contributions of multiradical states to the electronic states and higher orbitals participating in virtual tunneling states. In the second part of this work, the inelastic tunneling effect was used to investigate the conversion of electrical into mechanical energy in azulene derivatives carrying a large dipole moment. Metal organic complexes consisting of gold adatoms and pristine as well as cleaved molecules were formed upon evaporation of BCA. These structures were identified with the aid of theoretical calculations. Voltage pulse experiments at different tunneling resistance revealed that the electric field in combination with the charge distribution of the structures is the origin of the motion. Metal organic complexes of cleaved molecules could be moved on the surface in a controlled way and driven along an arbitrarily chosen parcours. The third part of this work concerns the investigation of DMBI-P molecules as rotors for molecular machines. Demethylation during evaporation was used to create an open radical bond stably anchoring the molecule on the surface. This was utilized for a step wise rotation where the direction is controlled by the voltage sign and chirality of the molecule on the surface. A C-H stretch mode was identified as its origin, serving as energy entry channel excited by inelastic tunneling electrons. Temperature dependent measurements and theoretical calculations yielded the potential barrier for the rotation. / Rastertunnelmikroskopie (RTM) unter UHV Bedingungen und bei tiefen Temperaturen ist die experimentelle Methode der Wahl zur Untersuchung von Einzelmolekülen auf Oberflächen. Darüber hinaus ist inelastische RTM in der Lage, die Zielstrukturen zu manipulieren und chemische Reaktionen auszulösen oder die Mechanik der einzelnen Moleküle präzise zu kontrollieren. Diese Dissertation behandelt inelastische RTM-Experimente an drei verschiedenen Molekülen als Werkzeug zur elektronischen Manipulation einzelner Moleküle. Der erste Teil der Arbeit behandelt die Oberflächensynthese von Dodecacen, des längsten bisher erzeugten Acens. Als kleinste Graphen-Nanobänder mit Zickzack-Rand und Modell für eindimensionale elektronische Systeme spielen Acene sowohl in Theorie als auch Experimentalphysik eine wichtige Rolle. Aufgrund der hohen Reaktivität und geringen Löslichkeit langer Acene wurden Vorläufermoleküle sowohl durch inelastisches Tunneln als auch durch Heizen des Substrates schrittweise deoxygeniert. Die Molekülstruktur wurde durch hochaufgelöste RTM mittels einer CO-funktionalisierten Spitze nachgewiesen. Zusätzlich konnten die elektronischen Zustände des Moleküls im Energiespektrum identifiziert und ihre räumliche Verteilung in dI/dV-Karten festgehalten werden. Die Vergrößerung der Bandlücke im Vergleich zu kürzeren Acenen konnte hierbei durch zunehmenden Einfluss multiradikaler Zustände auf den Grundzustand des Moleküls und den Beitrag höherer Molekülorbitale zu den virtuellen Tunnelzuständen erklärt werden. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die inelastische RTM dazu genutzt, um die Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische mittels Azulen-Derivaten mit großem Dipolmoment zu untersuchen. Bei der Verdampfung bilden diese metallorganische Komplexe aus Goldatomen und sowohl intakten als auch gespaltenen Molekülen. Deren Strukturen wurden mit Hilfe von Berechnungen identifiziert. Experimente mit Spannungspulsen bei unterschiedlichen Tunnelwiderständen enthüllten das elektrische Feld in Kombination mit der Ladungsverteilung der Strukturen als Ursprung der Bewegung. Die metallorganischen Komplexe aus gespaltenen Molekülen konnten zielgerichtet auf der Oberfläche durch einen zufällig gewählten Parcours bewegt werden. Der dritte Teil dieser Arbeit behandelt die Untersuchung von DMBI-P Molekülen zur Verwendung als Rotoren für molekulare Maschinen. Eine Demethylierung während der Verdampfung erzeugt eine offene Bindung, die das Molekül stabil auf der Oberfläche verankert. Dies wurde für eine schrittweise Rotation genutzt, deren Richtung durch das Vorzeichen der Spannung und die Chiralität auf der Oberfläche kontrolliert werden konnte. Eine C-H Streckschwingung dient hierbei als Eintrittskanal der durch inelastische Elektronen bereitgestellten Energie. Temperaturabhängige Messungen und theoretische Berechnungen lieferten die Potentialbarriere für die Rotation.

In this thesis, I explore model systems for planar atomic and molecular scale electronics on surfaces. The nanoscale systems are experimentally investigated by combining scanning tunneling microscopy (STM) with atomic and molecular manipulation. Furthermore, the on-surface chemical synthesis of molecules, as well as the construction of atomic wires on selected surfaces is applied. Polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) molecules play a key role in this work, as they can provide the functionality of the molecular scale devices. In the first part of this work, I investigate different PAH´s on the Au(111) surface. The precursor molecules form supramolecular assemblies and the on-surface synthesis approach to obtain the desired molecular products is used. In particular, bisanthene molecules via a cyclodehydrogenation reaction and the non-alternant polyaromatic hydrocarbon diindenopyrene after a thermally induced debromination followed by selective ring-closure to form a five-membered ring are obtained. An interesting surface for future applications is the passivated silicon Si(001)-(2x1):H. I prepare this surface and characterize the substrate. The surface has a band gap and molecules are electronically decoupled from the semiconducting substrate due to the passivation layer. Furthermore, atomic defects on this substrate, so called dangling bonds (DB´s), have defined electronic states. I show that it is possible to produce DB defects controllably by applying voltage pulses using the tip of the STM and achieve with this method atomic wires with DB´s. The third part of this thesis deals with the investigation of molecular structures on Si(001)-(2x1):H. I present the generation of hexacene by a surface assisted reduction. This result can be generalized for the generation of PAH´s after deoxygenation on passivated silicon and can open new routes to design functional molecules on this substrate. Secondly, one-dimensional chains of acetylbiphenyl (ABP) molecules are explored. They interact via its pi-stacked phenyl rings that are considered as conducting channel. Finally, I demonstrate that a single ABP molecule acts as a switch, as one can reversibly passivate and depassivate a single DB by a hydrogen transfer. In the last part of this work, I test the new low-temperature four-probe STM located at CEMES-CNRS in Toulouse. This machine is constructed for the development of molecular scale devices. For this purposes an atomic precision is needed for all the different tips at the same time and a high stability of this scanning probe microscope must be achieved. I perform a manipulation experiment of molecules to test the necessary submolecular precision. For that reason, supramolecular assemblies of ABP molecules on Au(111) are imaged and manipulated by any of the four tips using the lateral manipulation mode as well as by voltage pulses. The stability of the system is shown, as all tips of the four-probe STM work independently in parallel.:1 Introduction 2 Fundamentals of scanning tunneling microscopy 2.1 The working principle 2.2 Scanning tunneling spectroscopy 2.3 Manipulation modes 2.4 Modeling 3 Experimental setup, materials and methods 3.1 The scanning tunneling microscope 3.2 The Au(111) surface 3.3 Further experimental details 4 On-surface synthesis of molecules 4.1 Introduction 4.2 Generation of a periacene 4.3 Investigating a non-alternant PAH 4.4 Conclusion 5 The passivated silicon surface 5.1 Introduction 5.2 Preparation of passivated silicon 5.3 Characterization of Si(001)-(2x1):H 5.4 Tip-induced formation of dangling bonds 5.5 Conclusion 6 Organic molecules on passivated silicon 6.1 Introduction 6.2 Hexacene generated on passivated silicon 6.3 Acetylbiphenyl on passivated silicon 6.4 Conclusion 7 Testing a low temperature four-probe STM 7.1 Introduction 7.2 The four-probe STM 7.3 Performance test of the four-probe STM on Au(111) 7.4 Manipulation of ABP assemblies 7.5 Conclusion 8 Summary and outlook 9 Appendix 9.1 Dibromo-dimethyl-naphtalene on Au(111) 9.2 Epiminotetracene on Au(111) Bibliography Curriculum vitae Scientific contributions Acknowledgement Statement of authorship / In dieser Arbeit untersuche ich Modellsysteme für planare atomare und molekulare Elektronik auf Oberflächen. Die Systeme auf der Nanoskala werden experimentell durch die Kombination aus Rastertunnelmikroskopie (RTM) und atomarer sowie molekularer Manipulation untersucht. Moleküle werden durch die oberflächenchemische Synthese generiert und atomare Drähte auf ausgewählten Oberflächen hergestellt. Polyzyklisch aromatische Kohlenwasserstoff (PAK) Moleküle spielen bei dieser Arbeit eine Schlüsselrolle, da sie die passiven und aktiven Elemente auf molekularem Maßstab darstellen können. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuche ich verschiedene PAK´s auf der Au(111)-Oberfläche. Die Präkursoren bilden dabei supramolekulare Anordnungen und ich nutze die Oberflächensynthese, um die gewünschten molekulare Produkte zu erhalten. Im Speziellen habe ich Bisanthen-Moleküle über eine Zyklodehydrogenationsreaktion und das nicht-alternierende PAK Diindenopyren erzeugt. Dieses entsteht nach einer thermisch-induzierten Debromierung gefolgt von selektivem Ringschluss, sodass ein fünfgliedriger Ring gebildet wird. Eine interessante Oberfläche für zukünftige Anwendungen ist das passivierte Silizium Si(001)-(2x1):H. Ich habe diese Oberfläche erfolgreich präpariert und das Substrat charakterisiert. Die Oberfläche hat eine Bandlücke und Moleküle sind elektronisch von dem halbleitenden Substrat durch die Passivierungsschicht entkoppelt. Desweiteren haben atomare Defekte dieser Oberfläche, sogenannte Dangling-Bond´s (DB’s), definierte elektronische Zustände innerhalb der Bandlücke. Ich habe DB´s kontrolliert durch Spannungspulse mithilfe der Spitze des RTM erzeugt und stelle so atomare Drähte mit DB Defekten her. Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich mit der Untersuchung molekularer Strukturen auf Si(001)-(2x1):H. Die Erzeugung von Hexacen auf passivierten Silizium durch eine oberflächenunterstützte Reduktion wird gezeigt. Dieses Ergebnis ist eine neue Strategie für die Herstellung von PAK´s nach der Deoxygenierung und eröffnet neue Wege um funktionelle Moleküle auf diesem Substrat zu entwerfen. Zweitens zeige ich, dass Acetylbiphenyl (ABP) Moleküle eindimensionale Ketten auf dieser Oberfläche bilden. Diese interagieren über ihre Phenylringe, welche als leitender Kanal gesehen werden können. Zudem kann ein einzelnes ABP Molekül wie ein Schalter genutzt werden, da es reversibel einzelne DB´s durch Wasserstoffübertragung passivieren und depassivieren kann. Im letzten Teil dieser Arbeit wird das neue Tieftemperatur Vier-Sonden RTM, welches sich in CEMES-CNRS in Toulouse befindet, getestet. Diese Maschine ist für die Herstellung und Untersuchung von Geräten im molekularem Maßstab konstruiert worden. Zu diesem Zweck ist eine atomare Präzision für die verschiedenen Spitzen zur gleichen Zeit erforderlich und eine hohe Stabilität des Rastersondenmikroskops muss gewährleistet sein. Ich führe ein Manipulationsversuch an Molekülen durch, um die notwendige submolekulare Präzision zu testen. Dafür werden supramolekulare Anordnungen von ABP-Molekülen auf Au(111) abgebildet und die Strukturen mit jeder der vier Spitzen im lateralen Manipulationsmodus und durch Spannungpulse bewegt. Damit habe ich die Stabilität des Systems getestet und konnte zeigen, dass alle Spitzen des Systems unabhängig voneinander parallel arbeiten.:1 Introduction 2 Fundamentals of scanning tunneling microscopy 2.1 The working principle 2.2 Scanning tunneling spectroscopy 2.3 Manipulation modes 2.4 Modeling 3 Experimental setup, materials and methods 3.1 The scanning tunneling microscope 3.2 The Au(111) surface 3.3 Further experimental details 4 On-surface synthesis of molecules 4.1 Introduction 4.2 Generation of a periacene 4.3 Investigating a non-alternant PAH 4.4 Conclusion 5 The passivated silicon surface 5.1 Introduction 5.2 Preparation of passivated silicon 5.3 Characterization of Si(001)-(2x1):H 5.4 Tip-induced formation of dangling bonds 5.5 Conclusion 6 Organic molecules on passivated silicon 6.1 Introduction 6.2 Hexacene generated on passivated silicon 6.3 Acetylbiphenyl on passivated silicon 6.4 Conclusion 7 Testing a low temperature four-probe STM 7.1 Introduction 7.2 The four-probe STM 7.3 Performance test of the four-probe STM on Au(111) 7.4 Manipulation of ABP assemblies 7.5 Conclusion 8 Summary and outlook 9 Appendix 9.1 Dibromo-dimethyl-naphtalene on Au(111) 9.2 Epiminotetracene on Au(111) Bibliography Curriculum vitae Scientific contributions Acknowledgement Statement of authorship