ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
16-lug-2024
2023/2024
Fin da quando fu stabilizzato per la prima volta nel 2004, il Grafene ha avuto un ruolo
cruciale nella ricerca in fisica sperimentale, a causa delle sue peculiari proprietà mecca-
niche, elettroniche e ottiche: mobilità elettronica pari a 2.5 · 105 cm^2/Vs , conducibilità termica
oltre i 3, 000 W/mK , spettro di assorbimento discreto e uguale per tutte le lunghezze d’onda.
La ricerca nel campo della Fisica delle Superfici si è focalizzata, negli ultimi 20 anni, su
come sfruttare il grafene nel progresso tecnologico per migliorare l’efficienza dei dispos-
itivi elettronici. Il Graphene Field-Effect Transistor (GFET), in cui il grafene è usato
come canale conduttivo tra source e drain su un layer isolante, e le interfacce grafene-
metallo, in cui un layer isolante è solitamente usato per disaccoppiarli elettronicamente,
rappresentano le nuove frontiere della ricerca. In entrambi i casi, sebbene la struttura
grafene-isolante sia cruciale, crescere il grafene su un substrato ossido isolante rappre-
senta una vera e propria sfida a causa delle proprietà delle superfici isolanti. Contraria-
mente a quanto accade per i substrati metallici, la scarsa interazione tra grafene e ossido
isolante e la presenza di ossigeno sulla superficie dell’ossido sono causa di bassa adesione
e della conseguente formazione di difetti durate la crescita. In più controllare lo spessore
del grafene durante la crescita su un ossido richiede una regolazione molto precisa dei
parametri di crescita, in modo da ottenere un’adeguata interazione tra i gas precursori,
come l’etilene, e la superficie dell’ossido. Un approccio promettente per risolvere questi
problemi riguarda l’intercalazione e l’ossidazione di uno strato sottile di metallo al di sotto
del grafene. Utilizzando questo approccio, lo scopo della tesi è investigare l’intercalazione
e l’ossidazione del Cobalto al di sotto del grafene precedentemente cresciuto su un ap-
propriato substrato metallico come l’Iridio(111). Inoltre, la struttura graphene-ossido di
cobalto-iridio è molto promettente anche per applicazione catalitiche: l’ossido di cobalto
è, infatti, un catalizzatore chiave per scindere l’acqua in ossigeno e idrogeno e per trasfor-
mare le molecole di monossido di carbonio e molecole di biossido di carbonio. Tuttavia,
quando l’ossido di cobalto è totalmente ricoperto dal grafene, le sue proprietà catalitiche
sono bloccate o quantomeno ridotte. Al contrario, la selettiva rimozione del grafene sco-
pre i siti catalitici dell’ossido di cobalto, perciò aumentando l’accessibilità e favorendo le
reazioni chimiche. La crescita dei campioni è stata ottenuta grazie alle tecniche di Molec-
ular Beam Epitaxy (MBE) e Chemical Vapor Deposition (CVD), mentre l’analisi chimica,
strutturale e morfologica è stata ottenuta tramite Auger Emission Spectroscopy (AES),
Low Energy Electron Diffraction (LEED), and Scanning Tunneling Microscopy (STM).
Since its first stabilization in 2004, graphene has played a crucial role in experimental
physics research, for its peculiar electronic, mechanical, and optical properties: electron
mobility of 2.5 · 105 cm^2/Vs , thermal conductivity above 3000 W/mK , discrete optical spectrum
absorption equal for each wavelength. The Surface Physics research has been focusing,
in the last 20 years, on the possible ways to exploit graphene to enhance the efficiency
of electronic devices for technological innovations. The Graphene Field-Effect Transis-
tor (GFET), in which the graphene is used as the conductive channel between
the source and the drain on top of the insulating layer, and graphene-metal interfaces,
in which a thin insulating layer is usually used to electronically decouple them, repre-
sent the new research frontiers in applied electronic physics. In both cases, although the
graphene-insulator structure is a crucial factor, growing graphene on an insulating oxide
substrate presents significant challenges due to the nature of the insulating surface. Un-
like metallic substrates, the low interaction between the graphene and the oxide substrate
and the presence of oxygen on the oxide surface usually lead to poor adhesion and the
formation of defects during growth. In addition, controlling the thickness of the graphene
layer on an insulating oxide substrate requires precise tuning of growth parameters to
ensure adequate interaction between the precursor gases, like ethylene, and the oxide
surface. A promising approach to address these challenges involves the intercalation and
oxidation of a thin layer of metals beneath the graphene layer. Within this approach, the
purpose of this thesis is to investigate the intercalation and the oxidation of Cobalt under
graphene, previously grown on a suitable metallic substrate like Iridium(111). More-
over, the graphene-cobalt oxide-iridium structure holds promise for catalytic applications:
Cobalt oxide is, indeed, a key catalyst for water splitting into oxygen and hydrogen and
for the transformation of carbon monoxide molecules into carbon dioxide molecules. How-
ever, when the cobalt oxide is enveloped by graphene, catalytic activity is hampered or,
at least, strongly hindered. Conversely, selective removal of graphene reveals the catalytic
sites of cobalt oxide, thereby enhancing their accessibility for chemical reactions. For
this reason, a brief investigation has been conducted to highlight the effects of graphene
removal and the thickening of cobalt oxide layers on the iridium substrate. The growth of
the sample has been carried out through Molecular Beam Epitaxy (MBE) and Chemical
Vapor Deposition (CVD), while the chemical, structural, and morphological properties
through Auger Emission Spectroscopy (AES), Low Energy Electron Diffraction (LEED),
and Scanning Tunneling Microscopy (STM).