Scanning Tunneling Microscopy and Raman Spectroscopy of 2D sp-sp2 carbon structures synthesized on Au(111)

Nanomaterials based on carbon atoms have been widely studied during the last years since the discovery of fullerene in the 1985. From that moment on many nanostructures based on different hybridization of carbon atoms, such as nanotubes or graphene, have been synthesized and characterized. In addition, also two dimensional architectures based on sp-sp2 hybridized carbon, i.e. graphyne and graphdiyne, have started to draw the attention of the scientific community. Even if nowadays there are numerous theoretical studies, which highlight superior properties, there is still a lack of experimental evidences. This is due to the difficulties in the synthesis of an extended layer with few defects. This thesis reports the growth of a two dimensional system based on sp-sp2 hybridized carbon with good coverage and quality on Au(111). This has been achieved by sublimating the molecular precursors, in ultra-high vacuum condition, over Au(111) surface. Then, the final structure has been characterized by STM techniques in order to find information about the structure and the morphology after the deposition. Large scale STM maps show the presence of a regular hexagonal network of the molecules on the surface. Instead, close-up STM images demonstrate the presence of golden atom in the middle of the carbon bonds. This means that the substrate plays an active role during the reactions. The analyses have been performed also on the sample annealed at various temperatures. These annealing treatments were required in order to study the effect of temperature on the morphology. Also electronic properties have been acquired by considering STS spectra in different points of the surface or by studying differential conductivity maps at different external bias. In addition preliminary Raman spectroscopy analysis has been applied to characterize also the vibrations of the materials at various temperatures.

I nanomateriali composti da carbonio sono stati ampliamente studiati negli ultimi anni a partire dalla scoperta del fullerene nel 1985. Da qui altre nanostrutture basate su diversi stati di ibridizzazione del carbonio, come ad esempio nanotubi o grafene, sono state sintetizzate e caratterizzate. Non solo, ma anche strutture bidimensionali ibride basate su carbonio ibridizzato sia sp che sp2, ovvero graphyne e graphdiyne, hanno attirato l’attenzione della comunità scientifica. Sebbene al giorno d'oggi sono presenti numerosi articoli che evidenziano le elevate proprietà di questi sistemi, vi è una mancanza di comprove sperimentali. Ciò è dovuto dalla difficoltà di sintetizzare una struttura ampia e con alta qualità. In questa tesi è riportata la crescita di un sistema bidimensionale basato su carbonio ibridizzato sp e sp2 con buon ricoprimento e qualità. I precursori molecolari sono stati fatti sublimare, in condizioni di ultra alto vuoto, su un substrato di oro. La struttura finale è stata poi caratterizzata attraverso la tecnica STM per ricavare informazioni sulla morfologia e sulla struttura. Le immagini a larga scala hanno mostrato la creazione di una struttura bidimensionale ordinata, con le molecole organizzate in geometrie esagonali. Invece, le immagini ad alti ingrandimenti hanno evidenziato la presenza dell’oro lungo i lati dell’esagono, in mezzo agli atomi di carbonio. Queste analisi sono state ripetute anche su campioni riscaldati a diverse temperature. Questi trattamenti termici sono stati effettuati per andare a studiare la relazione tra la morfologia e la temperatura. Anche le proprietà elettroniche sono state indagate per mezzo di spettri STS e mappe di conducibilità differenziale, misurate a diversi potenziali. In conclusione, le strutture basate su carbonio sp e sp2 sono state anche caratterizzate mediante spettroscopia Raman, per andare ad indagare le proprietà vibrazionali a diverse temperature.