The electronic and magnetic properties of nanographenes strongly depend on their size, shape and topology. While many nanographenes present a closedshell electronic structure, certain molecular topologies may lead to an open-shell structure. Triangular-shaped nanographenes with zigzag edges, which exist as neutral radicals, are of considerable interest both in fundamental science and for future technologies aimed at harnessing their intrinsic high-spin magnetic ground states for spinbased operations and information storage. Their synthesis, however, is extremely challenging owing to the presence of unpaired electrons, which confers them with enhanced reactivity. We report a combined in-solution and onsurface synthesis of π-extended triangulene, a non-Kekulé nanographene with the structural formula C33H15, consisting of ten benzene rings fused in a triangular fashion. The distinctive topology of the molecule entails the presence of three unpaired electrons that couple to form a spin quartet ground state. The structure of individual molecules adsorbed on an inert gold surface is confirmed through ultrahigh-resolution scanning tunneling microscopy. The electronic properties are studied via scanning tunneling spectroscopy, wherein unambiguous spectroscopic signatures of the spin-split singly occupied molecular orbitals are found. Detailed insight into its properties is obtained through tight-binding, density functional and many-body perturbation theory calculations, with the latter providing evidence that π-extended triangulene retains its open-shell quartet ground state on the surface. Our work provides unprecedented access to open-shell nanographenes with high-spin ground states, potentially useful in carbon-based spintronics.

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.

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.

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Zethrenes are model diradicaloids with potential applications in spintronics and optoelectronics. Despite a rich chemistry in solution, on-surface synthesis of zethrenes has never been demonstrated. We report the on-surface synthesis of super-heptazethrene on Au(111). Scanning tunneling spectroscopy investigations reveal that super-heptazethrene exhibits an exceedingly low HOMO–LUMO gap of 230 meV and, in contrast to its open-shell singlet ground state in the solution phase and in the solid-state, likely adopts a closed-shell ground state on Au(111).

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Diese Arbeit präsentiert die Ergebnisse einer Rastertunnelmikroskopiestudie an dem stöchiometrischen Supraleiter Lithium-Eisenarsenid (LiFeAs). Topographie- sowie Spektroskopieuntersuchungen an defektfreien Bereichen der Oberfläche zeigen eine Variation der Atompositionen in Abhängigkeit von der Tunnelspannung. Weiterhin wurde die Temperaturabhängigkeit der supraleitenden Energielücke untersucht. Dabei konnte die Signatur einer bosonischen Mode und damit eine Kopplung von Quasiteilchen beobachtet werden. Neben der Untersuchung defektfreier Oberflächen wurden auch Defekte und deren Einfluss auf die supraleitenden Eigenschaften analysiert. Es wurde dabei festgestellt, dass Defekte die supraleitende Energielücke ortsabhängig verändern. Die Defekte lassen sich aufgrund ihrer Symmetrie einer möglichen Gitterposition zuordnen. Eine detaillierte spektroskopische Untersuchung verschiedener Defekte zeigt deren Einfluss auf die Zustandsdichte der supraleitenden Quasiteilchen. Dabei stellt sich heraus, dass As-Defekte die supraleitende Energielücke erheblich beeinflussen. Fe-Defekte zeigen hingegen nur einen geringen Effekt. Für die Bestimmung der Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge wurden Messungen im Magnetfeld durchgeführt. Hierfür wird in dieser Arbeit eine geeignete Näherungsfunktion hergeleitet. Die Näherung der differentiellen Leitfähigkeit bei U=0 V in einem Flussschlauch erlaubt die Bestimmung einer Kohärenzlänge von 3,9 nm. Dies entspricht einem oberen kritischen Feld von 21 Tesla. Neben der Bestimmung der Ginzburg-Landau-Kohärenzlänge wird auch eine Analyse des Flussschlauch-Gitters durchgeführt. Dabei zeigt sich, dass der Flussschlauch-Gitterabstand dem eines tetragonalen Gitters entspricht. Allerdings zeigt sich für Magnetfelder größer als 6 Tesla eine zunehmende Unordnung des Flussschlauch-Gitters, was auf eine stärker werdende Flussschlauch-Flussschlauch-Wechselwirkung hindeutet. / This work presents scanning tunneling microscopy and spectroscopy investigations on the stoichiometric superconductor lithium iron arsenide (LiFeAs). To reveal the electronic properties, measurements on defect-free surfaces as well as near defects have been performed. The former shows a shift of atomic position with respect to the applied bias voltage. Furthermore, temperature dependent spectroscopic measurements indicate the coupling of quasiparticles in the vicinity of the superconducting coherence peaks. LiFeAs surfaces influenced by atomic defects show a spacial variation of the superconducting gap. The defects can be characterized by their symmetry and thus can be assigned to a position in the atomic lattice. Detailed spectroscopic investigations of defects reveal their influence on the quasiparticle density of states. In particular, Fe-defects show a small effect on the superconductivity while As-defects strongly disturb the superconducting gap. Measurements in magnetic field have been performed for the determination of the Ginzburg-Landau coherence length . For this purpose, a suitable fit-function has been developed in this work. This function allows to fit the differential conductance of a magnetic vortex at U=0 V. The fit results in a coherence length of 3,9 nm which corresponds to an upper critical field of 21 Tesla. Besides measurements on a single vortex, investigation on the vortex lattice have been performed. The vortex lattice constant follows thereby the predicted behavior of a trigonal vortex lattice. However, for magnetic fields larger than 6 Tesla an increasing lattice disorder sets in, presumably due to vortex-vortex-interactions.

Polycyclic aromatic hydrocarbons exhibit a rich spectrum of physicochemical properties depending on the size and, more critically, on the edge and bond topologies. Among them, open-shell systems - molecules hosting unpaired electron densities - represent an important class of materials for organic electronic, spintronic, and optoelectronic devices, but remain challenging to synthesize in solution. We report the on-surface synthesis and scanning tunneling microscopy- and spectroscopybased study of two ultralow-gap open-shell molecules, namely peri-tetracene, a benzenoid graphene fragment with zigzag edge topology, and dibenzo[a,m]dicyclohepta-[bcde,nopq]rubicene, a nonbenzenoid nonalternant structural isomer of peri-tetracene with two embedded azulene units. Our results provide an understanding of the ramifications of altered bond topologies at the single-molecule scale, with the prospect of designing functionalities in carbon-based nanostructures via engineering of bond topology.