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Zentrales Thema dieser Dissertation ist die Untersuchung anorganisch/organischer Hybridsysteme (HIOS) mit besonderem Fokus auf den speziellen Prozessen an der Grenzfläche beider Materialklassen. Organische Moleküle, in Verbindung mit anorganischen Halbleitern haben ein großes Potenzial für Anwendungen in zukünftigen optoelektronischen Hybridbauteilen, indem sie Vorteile zweier unterschiedlicher Welten kombinieren. Entscheidend für die Herstellung von hybriden Strukturen ist das Verständnis der Wechselwirkungen an der Grenzfläche zwischen organischem und anorganischem Material. In dieser Arbeit werden diese Wechselwirkungen analysiert, um eine Wachstumskontrolle an der Grenzfläche zwischen konjugierten organischen Molekül und anorganischem Halbleiter zu ermöglichen. Hierfür werden unterschiedliche Ansätze verfolgt: Im ersten Teil der Arbeit wird die Wechselwirkung des Modellsystems Sexiphenyl (6P) an der Grenzfläche zu ZnO untersucht, sowie das Wachstum des Moleküls mittels verschiedener Methoden kontrolliert. Das daraus gewonnene Wissen kann im zweiten Teil dazu verwendet werden einen hybriden ZnO/6P/ZnO-Stapel zu realisieren, bei dem die organische Schicht ohne Beeinträchtigung der Kristallstruktur, mit definierten Grenzflächen bis hin zur atomaren/molekularen Ebene, überwachsen werden kann. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der optischen Echtzeit-Beobachtung während des organischen Wachstums verschiedener Moleküle. Dadurch ist es möglich Veränderungen von Struktureigenschaften und Wechselwirkungen zwischen Molekülen und dem Substrat zerstörungsfrei zu bestimmen, während diese aufgewachsen werden. Hierdurch können schlussendlich mögliche Mechanismen aufgezeigt werden, um elektronische und optische Wechselwirkung an der Grenzfläche zwischen organischem Molekül und anorganischen Halbleitern zu analysieren, sowie Wachstumsprozesse weiter zu verstehen und kontrollieren. / The central subject of this thesis are hybrid inorganic/organic systems (HIOS) with a focus on the specific processes at the interface between the two material classes. Organic molecules used together with inorganic semiconductors, have a great potential for future optoelectronic applications in hybrid components, by combining the advantages of two dissimilar worlds. Decisive for the production of hybrid structures is the understanding of the interactions at the interface between organic and inorganic material. In this thesis, the interactions are analyzed to enable growth control at the interface between conjugated organic molecules and inorganic semiconductors. In the first part of the thesis, the interaction of the model system sexiphenyl (6P) at the interface with ZnO, as well as approaches to control the growth of the molecule are being investigated. The knowledge gained here is used in the second part to realize a hybrid ZnO/6P/ ZnO stack, in which the organic layer can be overgrown without affecting the crystal structure, exhibiting defined interfaces down to the atomic/molecular level. The last part of the thesis deals with real time optical observation during organic growth of different molecules. By this changes in structural properties and interactions between molecules and the substrate can be non-destructively determined as they are growing. Ultimately, a comprehensive insight into the optical and electronic interactions at the interface between organic molecules and inorganic semiconductors can be gained and possible control mechanisms are shown.

Die optoelektronischen Eigenschaften von inorganischen/organischen Hybridmaterialien (HIOS) sind besonders von der Kristallstruktur und der Ausrichtung der organischen Moleküle relativ zur inorganischen Oberfläche abhängig. Beides hängt von den kollektiven Wechselwirkungen der Materialien und von Transportprozessen wie etwa der Diffusion während der Deposition der organischen Materialien auf inorganischen Oberflächen ab. Durch die Komplexität solcher System sind jedoch viele Fragen im Bezug auf die gezielte Herstellung und Vorhersage von HIOS-Strukturen offen. Die Ziele dieser Arbeit sind daher (1) die theoretische Reproduktion der experimentell bekannten Einkristall-Struktur des weit verbreiteten organischen Moleküls para-Sexiphenyl (p-6P) und (2) die Untersuchung der Selbstdiffusion eines einzelnen p-6P auf einer inorganischen Zinkoxid (ZnO) Oberfläche. Die jeweiligen Systeme werden mittels klassischer atomistischer Molekulardynamik Simulationen und mit Methoden der klassischen Diffusionstheorie untersucht. Die Arbeit demonstriert, dass ein Modell basierend auf einem klassischen Kraftfeld die internen geometrischen und energetischen Eigenschaften eines realen p-6P Moleküls reproduziert. Wir simulieren die Selbstanordnung von p-6P zu Kristallen mit der experimentellen Einkristall-Struktur des p-6P und reproduzieren das reale Phasenverhalten des p-6P Kristalls. Wir untersuchen den Zusammenhang zwischen der Oberflächendiffusion eines p-6P und der elektrostatischen Kopplung zur ZnO (10-10)-Oberfläche. Wir entwickeln Strategien zur Berechnung von freie-Energie Landschaften, Diffusionskoeffizienten und Übergangsraten über Stufenkanten. Im Ergebnis hängen die Übergangsraten exponentiell von der Temperatur, der elektrostatischen Kopplung und der Höhe der Stufenkanten ab. Wir entdecken zudem zwei unterschiedliche Übergangspfade des p-6P über Stufenkanten, die von der Temperatur des Systems und von der elektrostatischen Kopplung abhängen. / The optoelectronic properties of hybrid inorganic/organic semiconductors strongly depend on the crystal structure and alignment of the molecules relative to the surface. Structure and alignment, in turn, depend on the surface-molecule and molecule-molecule interactions as well as transport processes such as diffusion during deposition of the organic molecules on an inorganic surface. However, due to their high complexity, fundamental questions pertaining to the design and prediction of HIOS structure are still unanswered. The aims of this thesis are therefore (1) to theoretically reproduce experimental bulk crystal structures of the widely used organic para-sexiphenyl molecule (p-6P) and (2) to investigate the self-diffusion of a single p-6P deposited on an inorganic Zincoxide (ZnO) surface. A multi-scale strategy is used, combining quantum density functional theory (DFT), all-atom molecular dynamics simulations, and classical diffusion theory. The thesis demonstrates that a classical force field model yields self-assembled bulk crystal structures and reproduces the real solid to liquid crystal phase behavior. The internal geometries and energies of the p-6P molecule and the structure of the p-6P bulk crystal are reproduced, all consistent with DFT and experiments. We investigate how the diffusion of the p-6P relates to the surface structure and the electrostatic coupling between the molecule and the ZnO (10-10) surface. We investigate by means of an advanced sampling strategy, free energy landscapes, diffusion coefficients and crossing rates over surface-step-edges. We find that the reciprocal values of the rates depend exponentially on the system temperature, the amplitude of the surface charges and the step-edge height, as well as linearly on the distance between equally high steps. We also discover two different crossing pathways for the molecule moving over the step, which simultaneously depend on the system temperature and the electrostatic coupling.

A great interest has been shown for self-assembled organic nano-structures that can be used in a variety of optoelectronic applications, from element detection to home electronics. It is known from experimental research that sexiphenyl (6P) grown on muscovite mica substrate form uniaxially self-assembled nanofibers which together with sexithiophene (6T) deposited on top gives the possibility to tune their polarized emission. A key to continue develop and explore the full potential of this technique is to understand the mechanisms behind the growth. This thesis investigate the initial growth of 6P and 6T on a 6Pˆ<img src="http://www.diva-portal.org/cgi-bin/mimetex.cgi?%5Cleft(11%20%5Cbar%7B1%7D%20%5Cright)%20%20%20" /> nanofiber substrate through Molecular Dynamics (MD) simulations. The adsorption of the molecules has been simulated with Simulated Annealing (SA) where 6P align perfectly with the substrate for all coverage while 6T starts to align after a certain amount of coverage. Both molecules show a monotonic increase in the adsorption energy per molecule with an increasing coverage. The surface diffusion of the molecules has been studied and shows a higher movement for both in the direction of the longmolecular axis. / Project P25154-N20 "Hetero-epitaxy of organic-organic nanofibers"