Investigation of novel two-dimensional carbon systems by density functional theory and Raman spectroscopy

The interest on two-dimensional materials has witnessed a steady growth after the assignment of the Nobel prize for graphene. This work analyzes three novel two-dimensional carbon systems belonging to such a class by Density Functional Theory and Raman spectroscopy. Such investigation was motivated by experimental data obtained in collaboration with the group of Prof. Feng (University of Dresden - Chair of Molecular Functional Materials). The first material, known in the literature as Square Graphene 4 (SG-4), was the subject of theoretical studies in its crystalline form which highlighted its metallic nature. I expand the knowledge about this material by assessing the validity of Hückel theory for describing the conjugated π electrons of SG-4 and for studying its Raman behavior (both in crystal and oligomeric models). I carried out Raman spectroscopy experiments on samples provided by Feng’s group and compared them with the theoretical data. The other two materials are Poly(triethynylbenzene) (PTEB) and Cu-Poly(triethynylbenzene) (Cu-PTEB), both composed of aromatic rings connected by diacetylenic moieties. These two materials belong to the class of graphyne-like systems. In the case of Cu-PTEB, copper atoms connect the two acetylenic moieties. For PTEB, I carried out a simulation of its Raman spectrum using an oligomeric model and used it to interpret the experimental results obtained in Feng’s group. For Cu-PTEB, I carried out a detailed investigation of its Raman response, looking at how conjugation, charge transfer and coordination of the C ≡ C bonds on the substrate may alter the spectrum in the C ≡ C stretching region.

L’interesse per materiali bidimensionali è cresciuto costantemente dopo l’assegnazione del premio Nobel per il grafene. Questa tesi analizza tramite la Teoria del Funzionale Densità e spettroscopia Raman tre innovativi sistemi a base di carbonio appartententi a tale classe. Questa ricerca è motivata da dati sperimentali ottenuti in collaborazione con il gruppo di ricerca del Professor Feng (University of Dresden - Chair of Molecular Functional Materials). Il primo materiale, noto in letteratura come Grafene Quadrato 4 (SG-4), è stato oggetto di studi teorici in forma cristallina che hanno evidenziato la sua natura metallica. Espando la conoscenza riguardo a questo materiale valutando la validità della teoria di Hückel nel descrivere gli elettroni π coniugati del SG-4 e studiandone lo spettro Raman (sia con modelli cristallini che oligomerici). Ho eseguito esperimenti di spettroscopia Raman su campioni forniti dal gruppo del Prof. Feng e li ho comparati con i dati teorici. Gli altri due materiali sono Poli(trietinilbenzene) (PTEB) e Cu-Poli(trietinilbenzene) (Cu-PTEB), entrambi composti da anelli aromatici connessi tramite gruppi acetilenici. Questi materiali appartengono alla classe di sistemi classificabili come grafinici. Nel caso di Cu-PTEB, atomi di rame connettono i due gruppi acetilenici. Per il PTEB, ho eseguito una simulazione dello spettro Raman impiegando un modello oligomerico che ho usato per interpretare i dati sperimentali forniti dal gruppo del Prof. Feng. Per il Cu-PTEB, ho eseguito un’analisi dettagliata della sua risposta Raman, considerando come coniugazione, trasferimento di carica e coordinazione dei legami C ≡ C al substrato possano alterare lo spettro nella regione dello stretching C ≡ C.