On-surface fabrication and molecular-scale investigation of 1D and 2D carbon nanostructures based on sp1-sp2 hybridization

Low-dimensional carbon allotropes, namely, one-dimensional (1D) carbon atomic wires (CAWs) and mixed sp-sp2 hybridized architectures (e.g., graphyne and graphdiyne), have assumed a growing importance in nanoscience since theoretical calculations evidenced their outstanding properties. This thesis describes an experimental investigation of atomically thin layers of 1D and 2D sp-sp2 carbon nanostructures and pentacene/MoS2 lateral heterostructures deposited on Au(111). The fabrication of 1D and 2D sp-sp2 carbon nanostructures was achieved by on-surface synthesis of precursor molecules on Au(111) under ultra-high vacuum (UHV) conditions. Instead, pentacene/MoS2 lateral heterostructures are fabricated by combining pulsed laser deposition (PLD) and organic molecular beam epitaxy (OMBE). Scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) were used to observe, in-situ, the formation of sp-sp2 carbon nanostructures and pentacene/MoS2 lateral heterostructures and study their morphological, structural, and electronic properties at the nanometer scale. In addition, Raman spectroscopy was employed to analyze the vibrational properties of sp-sp2 carbon nanostructures and study their evolution as a function of the annealing temperature. This work allowed us to observe the organometallic systems, formed by the sp-sp2 carbon structure right after the deposition of the precursor, and the subsequent C-C homocoupled systems achieved after annealing in UHV. Furthermore, the substrates role on the structure, electronic and vibrational properties of sp-sp2 carbon nanostructures and pentacene/MoS2 lateral heterostructure has been deeply investigated.

Gli allotropi di carbonio a bassa dimensionalità, come le catene atomiche di carbonio monodimensionali (1D) e le architetture miste di carbonio ibridizzato sp- sp2 (graphyne, graphdiyne), hanno assunto una importanza crescente nell'ambito della nanoscienza, in virtù delle loro eccezionali proprietà previste da studi teorici. Questa tesi descrive uno studio sperimentale di nanostrutture 1D e 2D di carbonio sp-sp2 e di una eterostruttura composta da pentacene e MoS2. La fabbricazione di nanostrutture 1D e 2D di carbonio sp-sp2 è stata ottenuta con la tecnica di sintesi-su-superficie a partire da precursori molecolari depositati su Au(111) in ultra-alto vuoto. Diversamente, l'eterostruttura laterale pentacene/MoS2 è stata prodotta combinando due tecniche di sintesi: la deposizione a impulsi laser e la deposizione da fascio molecolare. Microscopia a effetto tunnel (STM) e spettroscopia a effetto tunnel (STS) sono state utilizzate per osservare in-situ la formazione di nanostrutture di carbonio sp-sp2 e l'eterostruttura laterale di pentacene/MoS2 e studiare le loro proprietà morfologiche, strutturali, e elettroniche su scala nanometrica. Inoltre, la spettroscopia Raman è stato impiegata per analizzare le proprietà vibrazionali delle nanostrutture sp-sp2 e studiare la loro evoluzione in funzione della temperatura di ricottura. Questo lavoro ha permesso di osservare i sistemi organometallici formati da carbonio sp-sp2, ottenuti in seguito alla deposizione del precursore, e le strutture puramente organiche ottenute in seguito alla ricottura in ultra-alto vuoto. Inoltre, è stato indagato a fondo il ruolo del substrato sulla struttura e le proprietà elettroniche e vibrazionali di nanostrutture di carbonio sp-sp2 e dell'eterostruttura laterale pentacene/MoS2.