In der vorliegenden Dissertation werden Dünnschichten des Oberflächenproteins (Surface (S)-Layer) des Bacillus sphaericus NCTC 9602 auf einem SiOx-Substrat mittels Photoemission (PE) und Röntgenabsorptionsspektroskopie untersucht. Sowohl die PE-Daten als auch die Nahkantenabsorptionsspektren (NEXAFS) sind in qualitativer und quantitativer Übereinstimmung mit der erwarteten elektronischen Struktur des S-Layers, was auf eine weitgehende Stabilität des Systems gegenüber den Messbedingungen (Vakuum, Röntgenstrahlung) hindeutet. Mittels resonanter Photoemission war es möglich, die einzelnen Valenzbandstrukturen individuellen chemischen Bindungen zuzuordnen. Aus dem Vergleich der Intensitäten von Participator- und Spectator- Übergängen konnte ferner die Zeitskala für Elektronenhüpfprozesse innerhalb des LUMO (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, niedrigstes unbesetztes Molekülorbital) zu 100 fs abgeschätzt werden, was in guter Übereinstimmung mit einem in der Literatur vorgeschlagenen, auf Drehschwingungen basierenden Transportmechanismus ist. Der S-Layer wurde im folgenden als Templat für die Erzeugung von Metallclustern genutzt, die sich bei physikalischer Deposition reiner Metalle (Ag, Co) ausbilden. Elektronenmikroskopische Untersuchungen zeigen, dass sich im Fall nominaler Silberbedeckungen im Monolagenbereich Cluster von der Größe einiger nm bilden, die sich auf einem quadratischen Übergitter mit einer Kantenlänge von 14 nm anordnen. Die spektroskopischen Daten weisen die Sauerstoffatome der Peptidketten als wahrscheinlichste Adsorptionsplätze aus. Während die Ag-Cluster sich weitgehend nicht-reaktiv verhalten, zeigen Co-Cluster deutlich stärkere Wechselwirkung mit dem Templat. Unter Nutzung eines im NEXAFS-Mode betriebenen Photoelektronenmikroskops (PEEM) wurde schließlich die Schädigung reiner und Cluster bedeckter S-Layer bei intensiver Röntgenbestrahlung untersucht. Die Schädigung ist im Fall der Clusterbedeckung deutlich niedriger als bei reinen Oberflächen. Ein nur auf Abschattung des Templats durch die Cluster beruhendes Modell beschreibt die spektroskopischen Daten jedoch nicht zufriedenstellend. Vielmehr müssen Schädigungen des Templats durch Elektronen, die infolge Röntgenabsorption innerhalb der Cluster generiert werden, mit berücksichtigt werden.

Solid state approaches to structural properties like diffraction or microscopy techniques often cannot be applied to biomolecular systems, at least not without special postpreparation which often corrupts the desired properties of the pristine systems. In this work the capabilities of synchrotron-based, soft X-ray spectroscopies as an alternative way to unravel structural properties of such systems are tested. To this end, three exemplary systems were investigated each with the focus on another facet and characteristic length scale. The first example are DNA-alkanethiol self-assembled monolayers, also known as DNA microarrays or DNA chips, for which a way to monitor and controllably tune the structural composition on the mesoscopic scale of many thousands of molecules was sought for. The second example focuses on the single-molecule and submolecular scale in metalprotein hybrid compounds with the aim to identify the binding site of metal atoms or ions within protein molecules and the underlying interaction mechanisms. The most fundamental structural scale, the level of single bonds and molecular orbitals, is addressed in the last example where it was tried to elaborate an approach to map the topology of molecular orbitals based upon X-ray absorption properties. This approach was put to the practical test for the characteristic pi*peptide orbitals in protein backbones. For all three investigated examples, spectroscopies using soft X-ray synchrotron radiation were able to extract the desired information, thus confirming that they may grant alternative access to structural properties of soft-matter systems in cases where standard approaches fail. / Klassische Festkörpertechniken zur Strukturuntersuchung, wie Streu- oder Mikroskopiemethoden, können häufig nicht auf Biomolekülsysteme angewandt werden, zumindest nicht ohne spezielle Postpräparation, die die ursprünglichen Eigenschaften dieser Systeme oft verfälscht. In dieser Arbeit soll untersucht werden, inwieweit Röntgenspektroskopien basierend auf Synchrotronstrahlung einen alternativen Zugang zu Struktureigenschaften solcher Systeme bieten. Dazu wurden drei Systeme exemplarisch untersucht, jeweils mit Schwerpunkt auf einen anderen Aspekt und charakteristischen Längenbereich. Für selbstorganisierende DNA-Alkanthiol-Schichten, sogenannte DNA-Chips, wurde nach eine Weg gesucht, ihre strukturelle Zusammensetzung auf der mesoskopischen Ebene vieler tausend Moleküle zu bestimmen und kontrolliert zu modifizieren. Metallisierte Proteinstrukturen wurden auf Einzelmolekül- bzw. submolekularer Ebene untersucht, mit dem Ziel, die Orte der Metallanlagerung innerhalb des Proteins und die zugrundeliegenden Wechselwirkungsmechanismen zu identifizieren. Die unterste strukturelle Ebene, der Bereich einzelne Bindungen und Molekülorbitale, wurde adressiert am Beispiel der pi*peptide Orbitale des Proteinrückrats. Dafür wurde eine Methode zur Kartographierung einzelner Orbitale anhand von Röntgenabsorptionseigentschaften herausgearbeitet und praktisch getestet. In allen drei Fällen konnten Röntgenspektroskopien die nötigen Informationen liefern und damit ihr Potential für Strukturuntersuchungen in weicher Materie unter Beweis stellen.

Heutzutage ist die Entwicklung neuer Technologien stark auf die Miniaturisierung und die Herstellung von Materialien im Nanometer-Bereich und deren Charakterisierung ausgerichtet. Besonders interessant sind Informationen über hergestellte "sandwich" Strukturen betreffs Art und Anzahl der Schichten, Dicke der Schichten und deren chemische Zusammensetzung. Die chemischen Informationen von den Proben sind sowohl nahe der Oberfläche als auch in tiefer liegenden Schichten (vergrabene Schichten) von Interesse. Da die üblichen Tiefenprofilverfahren durch das Auftreten von ionenstrahlinduzierten Probenschädigungen hier versagen, sind zerstörungsfreie Untersuchungen der Probenstruktur von Bedeutung. Winkelaufgelöste Röntgenphotoemissionsspektroskopie (ARXPS) ist eines der Verfahren, die ohne Beschädigung der Schichtstruktur der untersuchten Materialen Informationen über dünne Gebiete der Probe liefert. Die Charakterisierung der Probe basiert auf der Analyse der austretenden Photoelektronen unter verschiedenen Austrittswinkeln, weil damit die effektive Informationstiefe durch Analyse von Photoelektronenstrom aus verschiedenen Tiefen verändert wird. Die Untersuchungstiefe bei diesem Verfahren ist maximal ~10 nm. Aus dem ARXPS-Verfahren ist nur eine indirekte Information zu erhalten. Deshalb braucht man ein Werkzeug, mit dem die untersuchten Proben mit Hilfe von mathematischen Modellen quantitativ beschrieben werden können. In der vorliegenden Doktorarbeit wird gezeigt, dass die ARXPS-Modellrechnung unter bestimmten Voraussetzungen eine sinnvolle Methode zur Analyse von dünnen Barriere-, Oxid- und Segregationsschichtsystemen ist. Die Quantifizierung der ARXPS-Daten ist nur dann erfolgreich, wenn nicht nur der Einfluss der Abklinglänge der Photoelektronen berücksichtigt wird, sondern auch der Einfluss der mittleren Atomvolumina der Matrix in geeigneter Schichten und der korrigierten Empfindlichkeitsfaktoren berücksichtigt wird. Die Anpassung zwischen experimentellen und berechneten Daten verläuft unter Verwendung bestimmter Rand- und Grenzbedingungen durch Anwendung mathematischer Methoden gleichzeitig für alle betrachtete Winkel. Das Verhalten der ARXPS-Modellrechnung wurde unter verschiedenen Bedingungen überprüft. Zu diesem Zweck wurde eine theoretische Struktur simuliert, deren Verhalten (berechnete Schichtdicken, Bedeckungsgrad der Oberfläche mit der Kontamination, chemische Zusammensetzung der Schichten) untersucht wurde hinsichtlich der Einflüsse von verschiedener Dicken, von Rauhigkeiten an der Probeoberfläche, der Art der Kontamination an der Oberfläche die aus der ex situ Präparation resultiert, und der "Qualität" der betrachteten Information während der Quantifizierung (Peak-Fit Prozeduren). Zur Demonstration der Möglichkeiten der Modellrechnung wurden zwei Systeme untersucht. Das erste Schichtsystem Co/Al2O3/Al enthält eine dünne vergrabene Aluminiumoxid-Barriere, die durch Plasma-Oxidation mit Electron Cyclotron Resonance (ECR) bei unterschiedlichen Oxidationszeiten hergestellt wurde. Die Modellierung der Proben mit der ARXPS-Modellrechnung ergibt unterschiedliche Dicken von Al2O3, die mit der Zeit der Oxidation korrelieren. Je größer die Oxidationszeit ist, desto dickere Aluminiumoxidschichten bilden sich. Die Untersuchung der Alterungsprozesse an den ECR-Proben ergibt, dass die Dicke der Aluminiumoxide nicht beeinflusst wurde. Das bestätigt, dass die Co-Schicht erfolgreich Al2O3 vor weiterer Oxidation schützt. Das zweite Beispiel betrifft eine S/Fe Struktur, die während der Wärmebehandlung durch Schwefel-Segregation auf einer Fe(100)-Oberfläche entstanden ist. Mit Hilfe der ARXPS-Modellrechnung kann der Bedeckungsgrad mit dem Schwefel der Fe- Oberfläche berechnet werden. Um die Ergebnisse der Modellierung zu verifizieren, wurden die ausgewählten Strukturen mit anderen Methoden (z.B.: TEM, EELS, XRR) untersucht.