Graphene and beyond: development of new two-dimensional materials

In questi tre anni di progetto di dottorato ho esplorato parte del mondo dei materiali bidimensionali. Il mio lavoro si è concentrato sull’analisi e la crescita di materiali bidimensionali con tecniche della Scienza delle Superfici. Per la crescita sono stati utilizzati sia metodi chimici, come la decomposizione di precursori gassosi, che fisici, come l’evaporazione di metalli in condizioni di ultra alto vuoto. Il metodo principale usato per studiare le proprietà di questi materiali è stata la fotoemissione da livelli di core e dalla banda di valenza. I materiali sono stati in gran parte cresciuti e analizzati direttamente in-situ, cioè evitando l’esposizione all’aria che ne altera le loro proprietà. Prendendo spunto dai risultati sui singoli materiali ho ulteriormente ampliato le mia ricerca verso complesse eterostrutture, ossia delle architetture artificiali di materiali bidimensionali. I sistemi derivanti da diverse combinazioni di grafene, nitruro di boro esagonale e calcogenuri bidimensionali sono stati prodotti e analizzati con lo scopo di rivelare la relazioni tra struttura e attività nelle eterostrutture. La tesi è divisa in quattro capitoli principali. Il primo è un’introduzione al mondo dei materiali bidimensionali e riassume i temi principali e la struttura generale della tesi. Il secondo capitolo è dedicato alla crescita e allo studio del grafene, archetipo di questa classe di materiali. Dopo un’introduzione sulle sue proprietà elettriche e sulla sua crescita su monocristalli metallici convenzionali il capitolo si suddivide in quattro sezioni che trattano tematiche specifiche. I paragrafi 2.1.1 e 2.1.2 esaminano le proprietà di grafene e grafene drogato azoto in contatto con strati ultrasottili di ferro. La sezione 2.2 studia la reazione dell’acqua con grafene cresciuto su monocristallo di nickel, per la produzione di idrogeno. Il paragrafo 2.3 descrive la crescita di grafene su un substrato non convenzionale: una lega di platino e nickel (Pt3Ni). Il terzo capitolo è rivolto allo studio di altri materiali bidimensionali, innanzitutto introduce i materiali trattati: nitruro di boro esagonale, dicalcogenuri di metalli di transizione, altri calcogenuri stratificati e le eterostrutture. Poi prosegue con tre sezioni specifiche; i paragrafi 3.1.1 e 3.1.2 sono dedicati a due metodi innovativi per formare eterostrutture in condizioni di ultra alto vuoto. La sezione 3.1.1 presenta un nuovo metodo per sintetizzare l’eterostruttura nel piano composta da grafene e nitruro di boro esagonale, la 3.1.2 propone un metodo versatile per creare eterostrutture impilate verticalmente di vari materiali bidimensionali. L’ultimo paragrafo, 3.2, riporta una ricerca dettagliata sulle proprietà elettroniche e chimiche di un calcogenuro stratificato massivo, l’indio seleniuro. Il quarto capitolo riassume le conclusioni del lavoro.