Graphene, a two dimensional single layer of graphite, attracts a lot of attention of researchers around the globe due to its remarkable physical properties and application potential. The origin can thereby be found in the peculiar electronic structure since graphene is a zero gap semi-conductor with a linear energy dispersion in the vicinity of the Fermi level. Consequently, the charge carriers in graphene mimic massless Dirac Fermions which brings principles of quantum electrodynamics and exotic effects like Klein tunneling into a bench-top experiment. Modifying the electronic and/or crystal structure structure by functionalization might therefore as well lead to new tantalizing physical properties, novel compound materials based on graphene like graphane (fully hydrogenated graphene) or flourographene (fluorinated graphene), and ultimately new applications. In this work, the influences on the electronic structure of graphene are investigated with photoemission spectroscopies after covalent functionalization by atomic hydrogen and ionic functionalization with potassium. Regarding hydrogenation, the formation of tunable bandgap is observed along with a full recovery of the electronic properties of graphene upon removing the hydrogen by thermal annealing. Using high resolution x-ray photoemission and molecular dynamics simulations, the formation of a C4H structure is predicted for substrate supported graphene at a saturation H-coverage of 25%, due to a preferential para- arrangement of hydrogen atoms. In fully electron doped, hydrogenated graphene the formation of dispersionless hydrogen impurity state is observed with angle-resolved photoemission spectroscopy. This flat state is extended over the whole Brillouin zone and according to calculations not localized. Potassium-doped graphene shows a similar doping level as its 3D parent component, the graphite intercalation compound KC8. Investigating the electron-phonon coupling in doped graphene, by direct derivation of the Eliashberg-function, shows an asymmetric coupling strength along the high-symmetry directions in the Brillouin Zone of graphene. In the K-M direction additional low energetic contributions could be identified which may originate from out-of-plane phonon modes. Regarding the electron-phonon-coupling strength of the high energy in-plane phonon modes a reasonable agreement with theoretical predictions is found.

This thesis is devoted to studies of high temperature superconductors and related materials using the angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). Though there is no accepted theory of superconductivity, encompassing high-$T_{\\rm c}$ materials, there is enough evidence to believe that superconductivity can always be interpreted as stemming from pairing of electrons by interaction with bosons, and $T_{\\rm c}$ is determined by effectiveness of such a pairing. ARPES, owing to the possibility of recording energy- and momentum-resolved electronic spectrum, is a powerful probe of the normal-state electronic structure, which is an important prerequisite for the superconductivity, and implications of the electron pairing, such as emergence of the superconducting gap and finer features below $T_{\\rm c}$. Based on ARPES data one can quantify the electronic interactions by analysis of kinks in the dispersion curves, spectral line widths etc. In current work new methods of ARPES data analysis were developed and applied to the spectra taken from cuprate and iron-based high-$T_{\\rm c}$. The possibility to analyze the macroscopic response of solids in the normal state as well as in the superconducting and charge-density-wave phases basing on the experimentally measured renormalized band dispersion and anisotropic superconducting and charge-density-wave gap was shown. The thesis consists of five parts. Part 1 introduces the employed notions of electrons in solids and methods of their investigation. Part 2 describes the Voigt fitting procedure, allowed for purification of the spectra from resolution effects, and, consequently, for determination of the quasiparticle scattering rate with enhanced precision. In Part 3 the calculation of the temperature-dependent Hall coefficient in the charge-density-wave-bearing 2H-TaSe$_2$ from the band dispersion, measured in ARPES, is presented, and comparison to the independent magnetotransport measurements is shown. The extraction of the band dispersion of Ba$_{1-x}$K$_{x}$Fe$_2$As$_2$ and LiFeAs from ARPES data can be found in Part 4. Agreement with Hall effect measurements on the same samples is demonstrated. Part 5 introduces the extraction of the momentum-dependent superconducting gap in iron arsenides from fitting of ARPES spectra to Dynes function. The superfluid density was calculated from the band dispersion and the superconducting gap, measured in ARPES, and compared to the ones measured by different techniques.

Diese Dissertation unter dem Titel Experimentelle Bestimmung der elektronischen Eigenschaften anwendungsrelevanter Grenzflächen organischer Halbleiter mittels Photoelektronenspektroskopie wurde am Leibniz Institut für Festkürper- und Werkstoffforschung (IFW) Dresden am Institut für Festkörperforschung (IFF) unter der Betreuung von Prof. Dr. B. Büchner angefertigt. Zur wissenschaftlichen Untersuchung kamen hierbei zwei Typen anwendungsrelevanter Grenzflächen. Zum einem wurde der Einfluss einer Elektrodenpräparation unter Normalbedingungen mittels ex-situ Reinigungsverfahren im Vergleich zu insitu präparierten Kontakten auf das elektronische Verhalten des organischen Halbleiters Sexithiophen an Grenzflächen zu metallischen Substraten studiert. Als Substratmaterialien kamen hierbei die Metalle Silber, Palladium, Gold und Platin zum Einsatz. In einer zweiten Studie wurden die Grenzflächen der organischen Halbleiter Sexithiophen und Kupfer(II)- Phthalocyanin in Kontakt zu dünnen Filmen des Übergangsmetalloxides La0.7Sr0.3MnO3 untersucht. Auch hier wurde eine vergleichende Untersuchung für ex-situ und in-situ gereinigte La0.7Sr0.3MnO3-Kontakte durchgeführt. Die hierzu verwendeten Filme wurden im IFW Dresden am Institut für Metallische Werkstoffe (IMW) hergestellt. Auch im Rahmen dieser Untersuchungen stand der Einfluss von Sauerstoff auf das elektronische und chemische Verhalten an den Grenzflächen im Vordergrund.

Using photoelectron spectroscopy, we show measurements of energy level alignment of organic semiconducting layers. The main focus is on the properties and the influence of doped layers. The investigations on the p-doping process in organic semiconductors show typical charge carrier concentrations up to 2*10E20 cm-3. By a variation of the doping concentration, an over proportional influence on the position of the Fermi energy is observed. Comparing the number of charge carriers with the amount of dopants present in the layer, it is found that only 5% of the dopants undergo a full charge transfer. Furthermore, a detailed investigation of the density of states beyond the HOMO onset reveals that an exponentially decaying density of states reaches further into the band gap than commonly assumed. For an increasing amount of doping, the Fermi energy gets pinned on these states which suggests that a significant amount of charge carriers is present there. The investigation of metal top and bottom contacts aims at understanding the asymmetric current-voltage characteristics found for some symmetrically built device stacks. It can be shown that a reaction between the atoms from the top contact with the molecules of the layer leads to a change in energy level alignment that produces a 1.16eV lower electron injection barrier from the top. Further detailed investigations on such contacts show that the formation of a silver top contact is dominated by diffusion processes, leading to a broadened interface. However, upon insertion of a thin aluminum interlayer this diffusion can be stopped and an abrupt interface is achieved. Furthermore, in the case of a thick silver top contact, a monolayer of molecules is found to float on top of the metal layer, almost independent on the metal layer thickness. Finally, several device stacks are investigated, regarding interface dipoles, formation of depletion regions, energy alignment in mixed layers, and the influence of the built-in voltage. We show schematic energy level alignments of pn junctions, pin homojunctions, more complex pin heterojunctions with Zener-diode characteristics, as well as a complete OLED stack. The results allow a deeper insight in the working principle of such devices. / Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie werden in der vorliegenden Arbeit Energieniveaus an Grenzflächen von organischen Halbleitern untersucht, wobei ein Hauptaugenmerk auf dem Einfluss und den Eigenschaften dotierter Schichten liegt. Bei der Untersuchung grundlegender Eigenschaften eines p-dotierten organischen Halbleiters können Ladungsträgerkonzentrationen bis zu 2*10E20 cm-3 nachgewiesen werden. Eine Variation der Dotierkonzentration zeigt einen überproportionalen Einfluss der Ladungsträger auf die Position des Ferminiveaus verglichen mit Experimenten an anorganischen Schichten. Durch den Vergleich mit der Anzahl Dotanden in der Schicht kann gezeigt werden, dass dabei nur etwa 5% der Dotanden einen vollständigen Ladungstransfer eingehen. Eine detaillierte Untersuchungen der Zustandsdichte jenseits des HOMOs (Highest Occupied Molecular Orbital) zeigt, dass die exponentiell abfallende Flanke der Zustandsdichte weiter in die Bandlücke hineinreicht als üblicherweise angenommen. Das Ferminiveau erfährt bei steigender Dotierung ein Pinning an diesen Zuständen, was für eine signifikante Ladungsträgerkonzentration spricht. Weiterhin wurden Untersuchungen zu Metal Top- und Grundkontakten durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass die Ursache für die Entstehung unsymmetrischer Strom-Spannungskurven, trotz eines symmetrischen Probenaufbaus, an einer Reaktion zwischen dem Molekül und den Metallatomen liegt. Dadurch entsteht eine um 1.16eV reduzierte Injektionsbarriere für Elektronen am Topkontakt. Weitere detaillierte Untersuchungen an diesen Topkontakten zeigen, dass im Falle von Silber als Metall diese Grenzfläche von Diffusionsprozessen dominiert ist. Im Gegensatz dazu zeigt das unedle Metall Aluminium keine Diffusion und führt zu abrupten Grenzflächen. Im ersten Fall kann zudem eine Monolage vom Molekül auf dem Metallkontakt nachgewiesen werden, die unabhängig von der Metalldicke aufschwimmt. Zuletzt werden Bauelemente oder Teile solcher mit Photoelektronenspektroskopie vermessen. Hierbei werden die Grenzflächendipole, die Ausbildung von Verarmungszonen, die Energieangleichung in Mischschichten und der Einfluss der Eingebauten Spannung untersucht. Es können die Banddiagramme von pn-Übergängen, einfachen pin Homoübergängen, komplexeren pin Heteroübergänge mit Zener-Dioden Verhalten sowie eine gesamte OLED gezeigt werden. Die Ergebnisse erlauben einen tieferen Einblick in die Arbeitsweise solcher Bauelemente.