Electrochemical and in-situ morphological characterization of two-dimensional MoS2 : an exploratory study

In recent years, among the plethora of 2D-materials that have been studied following the success of Graphene, MoS2 has attracted a lot of attention. This material belongs to the category of Transition Metal Dichalcogenides (TMDCs) and has a layered structure held together by Van der Waals forces, much like Graphite, allowing the possibility of isolating a single-layer structure. Its optoelectronic properties, its electrocatalytic performance and the possibility to fine tune semiconducting properties by controlling the layers number, make it a feasible choice for a wide variety of applications. In this framework, this thesis work aims to initiate a long-term project about the investigation of 2D-MoS2 properties in an electrolytic environment, employing in-situ Atomic force microscopy (AFM) combined with electrochemical (EC) techniques. The fine tuning of the experimental setup, and the observations made in my work, will be the foundation for the continuation of this long-term project towards more complex tests. To do so, I investigated the electrocatalytic activity in a 0.1 M KCl electrolyte of a single-layer MoS2 on Au(111) sample and a few-layer MoS2 on HOPG sample, both produced by pulsed laser deposition (PLD). Then, in-situ AFM imaging was utilized while performing cyclic voltammetry (CV) to characterize the EC processes and their effect on surface morphology. The difference in substrate material revealed to be the determining factor for the success of this investigation. Additionally, Ex-situ Raman spectroscopy was utilized to analyze the samples vibrational properties, before and after the CV test. Finally, this work also presents the characterization of the as-fabricated few-layer MoS2 on HOPG sample, which will be useful for further optimization of the PLD process, aiming towards the deposition of a monolayer, as it was a first attempt at the synthesis of this kind of samples.

Negli ultimi anni, fra la moltitudine di materiali 2D che sono stati studiati a seguito del successo del Grafene, il MoS2 ha attirato molte attenzioni. Questo materiale appartiene alla categoria dei Dicalcogenuri dei Metalli di Transizione (TMDC) e possiede una struttura a strati, tenuta assieme dalle forze di Van der Waals, proprio come la Grafite, rendendo possibile l’isolamento di un singolo strato. Ciò che lo rende adatto a una gran varietà di applicazioni sono le sue proprietà optoelettroniche, la sua performance elettro-catalitica e la possibilità di regolare le proprietà di semiconduttore controllando il numero di strati. In questo contesto, il lavoro di codesta tesi punta a lanciare un progetto a lungo termine sull’indagine delle proprietà del 2D-MoS2 in ambiente elettrolitico, utilizzando la microscopia a forza atomica (AFM) in situ, combinata con tecniche elettrochimiche (EC). L’ottimizzazione dell’apparato sperimentale, e le osservazioni fatte durante il mio lavoro, saranno le fondamenta per la continuazione di questo progetto a lungo termine, verso sperimentazioni più complesse. Per far ciò, ho studiato l’attività elettrochimica, in un elettrolita di KCl 0.1 M, di un campione monostrato di MoS2 su substrato di Au(111) e di un campione di pochi strati di MoS2 su substrato di HOPG, entrambi prodotti con Deposizione a Laser Pulsato (PLD). In seguito, l’AFM in situ è stato utilizzato mentre venivano eseguite Ciclovoltammetrie (CV), in modo da caratterizzare i processi EC e il loro effetto sulla morfologia superficiale. La differenza fra i materiali dei due substrati si è poi rivelata il fattore determinante per il successo di questo esperimento. Inoltre, è stata utilizzata la spettroscopia Raman ex situ per caratterizzare le proprietà vibrazionali, prima e dopo le CV. Infine, dato che questo è stato un primo tentativo di produzione per questo tipo di campioni, in questo lavoro vi è anche una caratterizzazione del campione di pochi strati di MoS2 su HOPG appena fabbricato, la quale sarà utile per meglio ottimizzare il processo PLD, puntando alla fabbricazione di un singolo strato.