Molecular electronics is based on the use of single molecules as elementary functional electronic components. It is considered to be a promising strategy for further miniaturization of electronic circuits and long-term replacement of semiconductor technology. Moreover the quantum mechanical nature of molecules may be used to design new logical functions, beyond the electron-charge based data processing of classical transistors. With the experimental probing and manipulation of electron and nuclear spin, and the observations of quantum interferences in such systems, this area of research has gained increasing attention in the last decade.

Contacting individual molecules in order to perform transport experiments at such a small scale is challenging. Various methods based on the creation of metallic nano-contacts into which molecules are deposited have shown promising results, and already lead to the realization of single-molecule transistors.
On the other hand, scanning tunneling microscopy(STM) has also proven to be a successful method for studying single molecules on surfaces and probing some of their electronic properties. Due to geometrical constraints, it is extremely challenging to implement a third gate electrode in such an experiment. This is, however, a prerequisite for controlling the energy of the molecular level responsible for charge transport. The aim of this work was to use graphene on SiO_2/Si as a substrate, Si and graphene being independently electrically contacted and serving as drain- and gate-electrode. The very low density of states of graphene makes it screen only a fraction of the electric field generated by the applied potential on the silicon. A molecule deposited on the graphene is thus placed in a controllable electric field, so that the geometrical arrangement STM tip/molecule/graphene/SiO_2/Si forms a molecular transistor,
which makes it possible to tune the molecular levels contributing to charge transport in an STM.

A newly acquired low temperature STM was first put into operation. Spatial and energy resolution of the device could be tested, before graphene deposited on various substrates was examined. This consists in a preliminary work laying the basis for the later deposition of molecules onto graphene. STM spectroscopy could furthermore demonstrate the emergence of Landau levels in graphene on NbSe_2 when a magnetic field is applied.

The molecules investigated in this work are cobalt phthalocyanines (CoPc). They are planar organic molecules, which have found application in various areas. Since they are thermally stable, they can be easily deposited on various substrates and belong to the most studied molecules in surface science. The adsorption of CoPc molecules on metallic surfaces has been studied first, showing a strong interaction between the molecular orbitals and the substrate, leading to a charge transfer. The insertion of graphene between metallic substrate and molecule was then investigated as a possible buffer layer for decoupling of the molecular levels. STM spectroscopy studies indicate that the molecular energy levels of CoPc on graphene do in fact correspond to the ones of the gas phase. Finally, CoPc molecules on graphene on SiO_2 were studied and their electronic properties probed as a function of the potential applied to the gate. A control of the energy of molecular states contributing to the tunneling current could be achieved, with an efficiency similar to classical transport experiments. The possibility to combine the charge transport characterization of molecules by means of a gate electrode with the spatial resolution of a STM was thus demonstrated. This opens a door towards promising future experiments with a combined control over the spatial position of the source electrode in the picometer-range and over the electronic properties of the studied nanostructures.

Die molekulare Elektronik beruht auf der Verwendung von einzelnen Molekülen als funktionelle elektronische Bauelemente. Sie gilt als eine erfolgversprechende Strategie zur weiteren Miniaturisierung von elektronischen Systemen und langfristig zu einer Ersetzung von auf Halbleitertechnologie basierten elektronischen Schaltkreisen. Sie bietet dennoch auch die Möglichkeit, die quantenmechanische Natur von Molekülen zu nutzen, um neue logische elektronische Funktionen zu entwerfen, jenseits der Datenverarbeitung von klassischen Transistoren. Mit der erfolgreichen experimentellen Messung und Manipulation des Elektronenspins und Kernspins, sowie mit der Beobachtung von Quanteninterferenzen in solchen Systemen, sorgte dieses Forschungsgebiet in den letzten Jahren für zunehmende Aufmerksamkeit.

Zur Kontaktierung einzelner Moleküle und Durchführung von Transportexperimenten werden unterschiedliche Methoden verwendet. Die meisten davon basieren auf der Erstellung metallischer Nanokontakte, zwischen denen Moleküle abgeschieden werden. Ein klarer Vorteil solcher Methoden ist die Implementierung einer dritten Gate-Elektrode, die es ermöglicht, die zum Ladungstransport beitragenden molekularen Niveaus zu kontrollieren, und die Realisierung eines Einzelmolekültransistors ermöglicht.
Mit einem Auflösungsvermögen im atomaren Bereich, hat sich die Rastertunnelmikroskopie (RTM) auch als eine erfolgreiche Methode zur Untersuchung von Molekülen auf Oberflächen bewährt, und bietet Einblicke in deren elektronische Eigenschaften. Aufgrund räumlicher Einschränkungen ist es allerdings besonders schwierig, in so einem Experiment eine dritte Gate-Elektrode zu implementieren. Ziel dieser Arbeit war es, Graphen auf SiO_2/Si als Substrat zu verwenden, wobei Si und Graphen unabhängig voneinander elektrisch kontaktiert werden können und als Drain- bzw. Gate-Elektrode dienen. Aufgrund der sehr geringen Zustandsdichte des Graphens wird nur ein Bruchteil des elektrischen Feldes, das durch das am Silizium angelegte Potential erzeugt wird, vom Graphen abgeschirmt. Auf diese Weise kann ein auf dem Graphen abgeschiedenes Molekül durch eine Gate-Spannung beeinflusst werden. Das System bestehend aus RTM-Spitze/Molekül/Graphen/SiO_2/Si bildet somit einen molekularen Transistor, der es erlaubt, in einem Rastertunnelmikroskopieexperiment molekulare Niveaus energetisch zu verschieben. Die in dieser Arbeit untersuchten Cobalt-Phthalocyanin (CoPc) Moleküle sind organische, planare Moleküle, die schon seit Jahrzehnten in vielen Bereichen Verwendung finden, unter anderem als Farbstoffe, als Katalysatoren oder in der Photovoltaik. Weil sie thermisch stabil sind, und durch Sublimation auf eine Vielfalt von Oberflächen aufgebracht werden können, gehören Phthalocyanine zu den am meisten untersuchten Molekülen der Oberflächenphysik.

Als erster Arbeitsschritt wurde ein im Lehrstuhl neu installiertes Tieftemperatur Rastertunnelmikroskop in Betrieb genommen und seine Funktionsweise ausführlich getestet. Nach der Überprüfung des räumlichen und energetischen Auflösungsvermögens des Gerätes, wurde Graphen auf unterschiedlichen Substraten untersucht, was als Grundlage für die spätere Abscheidung der Moleküle dienen sollte. Spektroskopie im Magnetfeld konnte weiterhin das Auftreten von Landauniveaus in Graphen auf NbSe_2 demonstrieren.

CoPc Moleküle wurden zuerst auf metallischen Oberflächen aufgebracht und untersucht, wobei eine starke Wechselwirkung zwischen den Molekülen und dem Substrat festzustellen war. Spektroskopische Untersuchungen zeigten sogar, dass ein Ladungstransfer stattfindet. Das Einfügen von Graphen zwischen dem metallischen Substrat und dem Molekül wurde zunächst als eine mögliche Lösung, um die molekularen Niveaus abzukoppeln, untersucht. Spektroskopische Untersuchungen ergaben dabei, dass die energetische Anordnung von molekularen Orbitalen tatsächlich der eines sich in der Gasphase befindlichen Moleküls entspricht. Zum Schluss konnten CoPc Molekülen auf Graphen/SiO_2/Si in Abhängigkeit einer Gate-Spannung gemessen werden. Eine Kontrolle über die zum Tunnelstrom beitragenden molekularen Niveaus konnte nachgewiesen werden, mit einer Effizienz, die mit den Ergebnissen anderer Transportexperimente vergleichbar ist. Die Fähigkeit, Transport durch molekulare Objekte mit dem räumlichen Auflösungsvermögen eines Rastertunnelmikroskops mittels einer Gate-Elektrode zu charakterisieren, wurde somit demonstriert. Dies ermöglicht eine Reihe von vielversprechenden zukünftigen Experimenten, in denen sowohl die elektronischen Eigenschaften der untersuchten Nanostrukturen beeinflusst als auch der Abstand und die Position der Source-Elektrode pikometergenau kontrolliert werden können.