Graphene and related materials: from "scotch tape" to advanced production methods.

The main topic of this thesis is the synthesis and characterization of carbon-based nanomaterials. In particular, during the first year of my PhD, I focused my attention on the synthesis of graphene, a carbon-based nanomaterial arranged in a two-dimensional (2D) crystal structure. The main purpose of the study was to optimize the method of synthesis of graphene, using the Scotch-tape technique, to obtain greater amounts of graphene compared to samples consisting of several layers. Although this technique leads to high quality graphene sheets, it is not the suitable approach to obtain a gram-scale production of graphene for its employment in nanoelectronics. During the second year, my studies focused on the synthesis and characterization of graphene-based nanomaterials. In particular, I have dealt with graphene nanowalls (GNWs), which consist of few graphene layers vertically oriented on a suitable substrate. These materials have attracted the interest of many researchers due to their potential applications as cathode materials for field emission devices. The last year of my PhD, I studied the effects of ablation of a graphite target either with a nanosecond or a femtosecond laser, in liquids. It was found that the laser ablation of graphite can lead to the synthesis of large graphene domains employing the nanosecond laser, while the use of a femtosecond laser produces large amounts of porous graphene sheets, that are recovered at the water-air interface and the graphene quantum dots that are dispersed in the liquid.

Il tema principale di questa tesi è la sintesi e la caratterizzazione di nanomateriali a base di carbonio. In particolare, durante il primo anno del mio dottorato, ho focalizzato la mia attenzione sulla sintesi del grafene, un nanomateriale a base di carbonio bidimensionale (2D). L'obiettivo di tale studio era quello di ottimizzare il metodo di sintesi del grafene mediante la tecnica " Scotch -tape ", per ottenerne una maggiore quantità rispetto a campioni costituiti da più fogli di grafene. Sebbene questa tecnica consenta di ottenere grafene di elevata qualità, questo non è l'approccio idoneo per ottenere una produzione su larga scala di grafene. Durante il secondo anno, i miei studi si sono incentrati sulla sintesi e caratterizzazione di nanomateriali a base di grafene. In particolare, mi sono occupata di grafene nanowalls (GNWs), nanomateriali costituiti da alcuni fogli di grafene disposti verticalmente rispetto ad un opportuno substrato. Questi materiali hanno attirato l'interesse di molti ricercatori per le loro potenziali applicazioni nella nanoelettronica. Durante l'ultimo anno di dottorato, sono stati condotti degli studi sull'ablazione laser della grafite in liquido, sia con un laser al nanosecondo che con un laser al femtosecondo. Si è osservato che impiegando il laser al nanosecondo è possibile ottenere grandi domini di grafene, mentre l'uso di un laser al femtosecondo produce grandi quantità di fogli di grafene poroso all'interfaccia acqua - aria e i graphene quantum dots che risultano dispersi nel liquido.