Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of linear structures based on sp-carbon chains

Carbon-based nanomaterials have been extensively studied last thirty years, where novel carbon allotropes such as fullerenes, carbon nanotubes and graphene have been discovered. However, due to stability issues, one-dimensional sp-carbon-based wires, have been less investigated. Although different theoretical studies predict superior electronic, structural and optical properties which could be promisingly exploited for future nanotechnology applications, we still lack experimental results. This thesis reports an experimental investigation of sp-carbon-based wires deposited and synthesized on the reconstructed Au(111) surface, by means of Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Scanning Tunneling Spectroscopy (STS). Sp-Carbon-based wires, in one case, have been deposited as pre-fabricated wires on the substrate where different techniques have been explored in Ultra High Vacuum (UHV) condition. In the second case, sp-carbon-based wires are synthesized starting from custom-made molecular precursors which are thermally evaporated in Ultra High Vacuum (UHV) condition. STM measurements allowed to study such structures and their morphological properties for increasing temperatures. Structural properties have been studied by analysis of atomic resolution STM images at different annealing temperature. Then, a preliminary STS investigation evidenced the fact that these systems present a band gap in the vicinity of Fermi level. Furthermore, explorative deposition experiments have been carried out, in a preliminary way, on substrates with different characteristics with respect to Au(111), such Ag(110) and graphite (HOPG).

I nanomateriali a base di carbonio come il grafene, nanotubi di carbonio e fullereni sono stati studiati ormai da diversi anni. Più sfuggenti alla ricerca sono i nanofili a base di carbonio, che sono strutture lineari con ibridazione sp. Molti studi teorici presenterebbero delle ottime proprietà elettroniche, strutturali e ottiche di questi nuovi nanomateriali che potrebbero essere sfruttati per le diverse applicazioni nanotecnologiche. Tuttavia, rimane ancora tanto da esplorare a livello sperimentale, che per motivi legati alle difficoltà di produzione e problematiche di stabilità, sono presenti solo alcuni lavori sperimentali che dimostrano le proprietà molto soddisfacenti di questi nanomateriali. La tesi riporta un’analisi sperimentale dei nanofili a base di carbonio con ibridizzazione sp, i quali sono stati depositati e sintetizzati sulla superficie ricostruita di Au(111). L’analisi è stata fatta tramite le tecniche di microscopia a effetto tunnel (STM, Scanning Tunneling Microscopy) e spettroscopia a effetto tunnel (STS, Scanning Tunneling Spectroscopy). I nanofili a base di carbonio, in un caso, sono stati utilizzati come pre-sintetizzati per poi depositarli sul substrato esplorando diverse tecniche di deposizione in ultra alto vuoto (UHV, Ultra High Vacuum). Nel secondo caso, i nanofili sono stati sintetizzati a partire da precursori molecolari che sono stati evaporati termicamente in ultra alto vuoto (UHV, Ultra High Vacuum). La caratterizzazione STM del sistema nanofili/A(111) mette in luce le proprietà morfologiche del campione al crescere della temperatura di ricottura. Inoltre, l’analisi delle immagini STM a risoluzione atomica ci permette di studiare le proprietà strutturali al variare della temperatura di ricottura. Un’analisi preliminare STS del campione mette in luce il fatto che questi nanomateriali presentano una banda proibita nelle vicinanze del livello di Fermi. In aggiunta, sono state effettuati degli esperimenti esplorativi di deposizione su altri substrati, con caratteristiche differenti rispetto al Au(111), come quello di Ag(110) e il grafite (HOPG).