Nanoribbon di grafene sintetizzati con l’approccio on-surface: studio di crescita, morfologia dei bordi e proprietà opto-elettroniche mediante spettroscopie elettroniche.

L'approccio bottom-up nella fabbricazione di nanostrutture funzionali sfrutta le proprietà auto-assemblanti della materia – in particolare delle molecole organiche e biologiche – per ottenere strutture complesse con nuove proprietà e funzioni. In particolare, la sintesi on-surface è un approccio chimico-fisico che combina la reattività di determinati precursori molecolari e le proprietà catalitiche di alcune superfici metalliche per ottenere network molecolari covalenti, la cui morfologia e struttura sono determinate con precisione atomica. Recentemente, questo approccio si è dimostrato particolarmente efficace nella fabbricazione dei nanoribbon di grafene (GNR) – strisce quasi unidimensionali di grafene di larghezza nanometriche e alto aspect ratio. A differenza del grafene, che è un semiconduttore a gap nullo, i GNR sono caratterizzati da un gap energetico il cui valore dipende principalmente dalla loro larghezza. Inoltre, le loro proprietà elettroniche possono essere controllate usando strategie simili a quelle sviluppate per il grafene, come l'introduzione di eteroatomi e difetti o la funzionalizzazione non covalente. Da un lato, la capacità intrinseca della sintesi on-surface di controllare con estrema accuratezza le caratteristiche chimico-fisiche del prodotto finale ha permesso di ottenere diversi tipi di GNR con proprietà ad hoc, rendendo questo approccio molto promettente per le sue possibili applicazioni in campi come nano-elettronica, nano-ottica e spintronica. D'altro canto, nonostante i recenti progressi, fabbricazione completamente controllabile dei GNR e scalabilità del loro processo di produzione sono ancora problematiche aperte. In questo lavoro di tesi, sono state studiate la crescita, le proprietà elettroniche e vibrazionali di diversi tipi di GNR con differenti spettroscopie elettroniche (HREELS, UPS e XPS). Particolare interesse è stato rivolto verso GNR caratterizzati da bordi diversi (armchair, chevron e (4,1) chirali) e da diversi droganti sostitutivi (N, OBO). Le proprietà vibrazionali di diverse specie GNR sono state approfonditamente analizzate confrontando spettri HREEL e previsioni teoriche. Il risultato di questo lavoro ha dimostrato che la HREELS è in grado di rivelare con elevata accuratezza la morfologia dei bordi dei GNR, rappresentando così un potente strumento –complementare a spettroscopia Raman e microscopie a scansione – per caratterizzare la qualità dei campioni su scala macroscopica in termini di lunghezza media dei GNR e presenza di difetti. Questo approccio è stato sfruttato anche per caratterizzare i GNR cresciuti con la CVD a pressione atmosferica, procedura che rappresenta un passo avanti nella loro fabbricazione su larga scala. Questo metodo di indagine, potrà quindi rivelarsi importante al fine di ottenere una comprensione più profonda della crescita on-surface del GNR. Combinando ARUPS e HREELS elettronica, sono state poi studiate la struttura a bande e l'eccitazione ottica di GNR chevron e chirali, dimostrando come sono esse siano influenzate dal doping sostitutivo. In particolare, lo studio delle funzioni dielettriche dei GNR – ricavate da un'analisi dettagliata degli spettri HREELS basata sul modello dielettrico a tre fasi – ha confermando l'importante ruolo degli eccitoni nel determinare il band gap ottico di questi nano-sistemi. Infine, la microscopia a effetto tunnel (STM) è stata utilizzata per monitorare la sintesi on-surface di nuove nanostrutture ottenute combinando il monomero del OBO-GNR (4,1) chirale e delle porfirine. Grazie alla capacità delle porfirine di legarsi ai metalli di transizione, tali GNR funzionalizzati potrebbero rivelarsi interessanti per future applicazioni spintroniche.