In the last thirty years, carbon-based nanomaterials have been playing a fundamental role in the research and development of novel materials for engineering applications, to such an extent that A. Hirsh defined this period as “the era of carbon allotropes”. Since the discovery of fullerene in 1985, indeed, many other carbon nanostructures, such as nanotubes and graphene have attracted the interest of scientists due to their outstanding properties. In this context, the allotrope based on sp-carbon linear chains has emerged as a potential leader, displaying superior mechanical, electronic, thermal and optical behaviors. However, important difficulties have been encountered in the synthesis and stabilization of these structures, which have shown to rearrange in a more stable sp2-hybridized form through crosslinking reactions. This thesis work in focused on these linear carbon systems and reports an experimental characterization of sp-carbon wires synthesized on the Au (111) surface by means of Scanning Tunneling Microscopy (STM), Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) and Raman spectroscopy. The wires were obtained via the on-surface homocoupling of bromine-terminated precursors, which were thermally evaporated in Ultra-High Vacuum (UHV) conditions. Annealing cycles were carried out on the sample of deposited structures, in order to investigate through the analysis of large-scale and high-resolution STM images the effects of the increasing temperature on morphological and structural properties. Furthermore, a study of STS spectra and differential conductivity maps allowed to characterize the electronic properties of the wires and highlighted peculiar differences in the surface conductive behavior. The analysis of Raman spectra of annealed samples and their comparison with computational models provided, then, relevant information on the vibrational structure of the deposited wires. Finally, preliminary measurements on the chemical composition of the sample by Auger spectroscopy were performed. The active role played by the Au (111) substrate in the chain formation has emerged as a common feature in most of the investigations conducted on the sample. The results achieved in thesis work have led to a deeper knowledge of the morphological, structural, electronic and vibrational properties of linear carbon systems and they have been intended as preliminary measurements for future experimental studies.

Negli ultimi trent’anni, le nanostrutture a base di carbonio hanno ricoperto un ruolo fondamentale nella ricerca e sviluppo di nuovi materiali per applicazioni in campo ingegneristico, a tal punto che A. Hirsh ha definito il periodo corrente come “l’era degli allotropi del carbonio”. A partire dalla scoperta del fullerene, avvenuta nel 1985, molte altre nanostrutture in carbonio, quali i nanotubi e il grafene, hanno attirato l’attenzione degli scienziati a causa delle loro proprietà eccezionali. In tal contesto, la forma allotropica del carbonio, composta da catene lineari a ibridazione sp, è emersa come un potenziale leader, mostrando caratteristiche meccaniche, ottiche e di conduzione elettrica e termica superiori alla norma. Tuttavia, diversi problemi sono stati riscontrati nella fase di sintesi e stabilizzazione di tali catene, le quali hanno mostrato una tendenza alla riorganizzazione in forme più stabili, a ibridazione sp2, attraverso reazioni di reticolazione molecolare. Il presente elaborato di tesi si colloca in questo preciso ambito e riporta un’analisi sperimentale di nanofili a base di carbonio su Au (111) tramite microscopia a effetto tunnel (STM, Scanning Tunneling Microscopy), spettroscopia a effetto tunnel (STS, Scanning Tunneling Spectroscopy) e spettroscopia Raman. I fili sono stati sintetizzati mediante reazioni di accoppiamento su Au (111) di bromo-precursori, evaporati termicamente in condizioni di ultra alto vuoto (UHV, Ultra-High Vacuum). Diversi cicli di ricottura sono stati eseguiti sul campione, per consentire un’indagine, tramite l’analisi di immagini STM a larga e piccola scala, degli effetti dell’incremento termico sulle proprietà morfologiche e strutturali dei nanofili. Inoltre, uno studio degli spettri STS e delle mappe di conduttività differenziale ha permesso una caratterizzazione delle proprietà elettroniche dei nanofili e ha messo in luce variazioni peculiari nella conduttività superficiale. L’analisi di spettri Raman acquisiti sui campioni ricotti e il confronto di questi con modelli computazionali hanno fornito poi informazioni rilevanti circa la struttura vibrazionale di tali strutture. Infine, misure preliminari sulla composizione chimica del campione sono state condotte mediante spettroscopia Auger. Il ruolo attivo svolto dal substrato di Au (111) nel processo di formazione delle catene è emerso come caratteristica comune nella maggior parte delle indagini condotte sul campione. I risultati ottenuti in questo elaborato di tesi hanno portato a una conoscenza più dettagliata delle proprietà morfologiche, strutturali, elettroniche e vibrazionali dei sistemi di carbonio lineari e vengono intese come misurazioni preliminari a supporto di futuri studi di caratterizzazione sperimentale.

Scanning tunneling microscopy and Raman spectroscopy of carbon atom wires synthesized on Au (111)

IMPROTA, RICCARDO
2017/2018

Abstract

In the last thirty years, carbon-based nanomaterials have been playing a fundamental role in the research and development of novel materials for engineering applications, to such an extent that A. Hirsh defined this period as “the era of carbon allotropes”. Since the discovery of fullerene in 1985, indeed, many other carbon nanostructures, such as nanotubes and graphene have attracted the interest of scientists due to their outstanding properties. In this context, the allotrope based on sp-carbon linear chains has emerged as a potential leader, displaying superior mechanical, electronic, thermal and optical behaviors. However, important difficulties have been encountered in the synthesis and stabilization of these structures, which have shown to rearrange in a more stable sp2-hybridized form through crosslinking reactions. This thesis work in focused on these linear carbon systems and reports an experimental characterization of sp-carbon wires synthesized on the Au (111) surface by means of Scanning Tunneling Microscopy (STM), Scanning Tunneling Spectroscopy (STS) and Raman spectroscopy. The wires were obtained via the on-surface homocoupling of bromine-terminated precursors, which were thermally evaporated in Ultra-High Vacuum (UHV) conditions. Annealing cycles were carried out on the sample of deposited structures, in order to investigate through the analysis of large-scale and high-resolution STM images the effects of the increasing temperature on morphological and structural properties. Furthermore, a study of STS spectra and differential conductivity maps allowed to characterize the electronic properties of the wires and highlighted peculiar differences in the surface conductive behavior. The analysis of Raman spectra of annealed samples and their comparison with computational models provided, then, relevant information on the vibrational structure of the deposited wires. Finally, preliminary measurements on the chemical composition of the sample by Auger spectroscopy were performed. The active role played by the Au (111) substrate in the chain formation has emerged as a common feature in most of the investigations conducted on the sample. The results achieved in thesis work have led to a deeper knowledge of the morphological, structural, electronic and vibrational properties of linear carbon systems and they have been intended as preliminary measurements for future experimental studies.
TUMINO, FRANCESCO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
20-dic-2018
2017/2018
Negli ultimi trent’anni, le nanostrutture a base di carbonio hanno ricoperto un ruolo fondamentale nella ricerca e sviluppo di nuovi materiali per applicazioni in campo ingegneristico, a tal punto che A. Hirsh ha definito il periodo corrente come “l’era degli allotropi del carbonio”. A partire dalla scoperta del fullerene, avvenuta nel 1985, molte altre nanostrutture in carbonio, quali i nanotubi e il grafene, hanno attirato l’attenzione degli scienziati a causa delle loro proprietà eccezionali. In tal contesto, la forma allotropica del carbonio, composta da catene lineari a ibridazione sp, è emersa come un potenziale leader, mostrando caratteristiche meccaniche, ottiche e di conduzione elettrica e termica superiori alla norma. Tuttavia, diversi problemi sono stati riscontrati nella fase di sintesi e stabilizzazione di tali catene, le quali hanno mostrato una tendenza alla riorganizzazione in forme più stabili, a ibridazione sp2, attraverso reazioni di reticolazione molecolare. Il presente elaborato di tesi si colloca in questo preciso ambito e riporta un’analisi sperimentale di nanofili a base di carbonio su Au (111) tramite microscopia a effetto tunnel (STM, Scanning Tunneling Microscopy), spettroscopia a effetto tunnel (STS, Scanning Tunneling Spectroscopy) e spettroscopia Raman. I fili sono stati sintetizzati mediante reazioni di accoppiamento su Au (111) di bromo-precursori, evaporati termicamente in condizioni di ultra alto vuoto (UHV, Ultra-High Vacuum). Diversi cicli di ricottura sono stati eseguiti sul campione, per consentire un’indagine, tramite l’analisi di immagini STM a larga e piccola scala, degli effetti dell’incremento termico sulle proprietà morfologiche e strutturali dei nanofili. Inoltre, uno studio degli spettri STS e delle mappe di conduttività differenziale ha permesso una caratterizzazione delle proprietà elettroniche dei nanofili e ha messo in luce variazioni peculiari nella conduttività superficiale. L’analisi di spettri Raman acquisiti sui campioni ricotti e il confronto di questi con modelli computazionali hanno fornito poi informazioni rilevanti circa la struttura vibrazionale di tali strutture. Infine, misure preliminari sulla composizione chimica del campione sono state condotte mediante spettroscopia Auger. Il ruolo attivo svolto dal substrato di Au (111) nel processo di formazione delle catene è emerso come caratteristica comune nella maggior parte delle indagini condotte sul campione. I risultati ottenuti in questo elaborato di tesi hanno portato a una conoscenza più dettagliata delle proprietà morfologiche, strutturali, elettroniche e vibrazionali dei sistemi di carbonio lineari e vengono intese come misurazioni preliminari a supporto di futuri studi di caratterizzazione sperimentale.
Tesi di laurea Magistrale
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