Synthesis and characterization of two-dimensional molybdenum disulphide nanostructures and hybrid heterostructure on gold and graphite substrates

After the isolation of graphene in 2004, the field of two-dimensional (2D) materials has known a strong growth. A very important class of 2D materials is represented by transition metal dichalcogenides (TMDs), that show really high tunability in electronic and optical properties depending on the number of layers and synthesis technique employed. The aim of this thesis work is related to the production of 2D molybdenum disuphide (MoS2) single layer island by pulsed laser deposition (PLD) to study their behaviour on different substrates, namely highly ordered pyrolitic graphite (HOPG) and Au(100). Although being a good synthesis technique for what concerns film quality and scalability, PLD is not much used in the field of 2D materials. A hybrid heterostructure between MoS2 and 2D graphdiyne-like nanostructure was obtained on a Au(111) substrate by evaporation of tBEP molecules, that were designed for this purpose. Morphological and electronic properties were investigated by in-situ scanning tunneling microscopy and spectroscopy STM/STS together with low-energy electron diffraction LEED. In-situ and ex-situ Raman and photoluminescence spectroscopy were used to investigate the vibrational and optical properties together with aging effects. By combining the results obtained with these characterization technique, it was possible to study the growth process, the coverage dependence on synthesis parameters and the substrate influence on measured properties.

In seguito all'isolamento del grafene, avvenuto nel 2004, il campo di ricerca dei materiali bidimensionali (2D) ha conosciuto una forte crescita. Un'importante classe di materiali 2D è rappresentata dai dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDs), le cui proprietà elettroniche e ottiche possono essere controllate in base al numero di strati e tecniche di sintesi. Il lavoro di tesi è incentrato sulla produzione di isole di MoS2 2D attraverso l'uso della deposizione a laser pulsato (PLD), per studiarne le proprietà su substrati differenti come grafite (HOPG) e Au(100). Un'eterostruttura ibrida tra MoS2 e una nanostruttura 2D di tipo grafdiinico è stata ottenuta su una superficie di Au(111), attraverso l'evaporazione di molecole di tBEP, precedentemente sintetizzate per questo scopo. Sebbene garantisca una buona qualità dei film depositati, la PLD non è ancora molto usata nel campo dei materiali 2D. Le proprietà morfologiche ed elettroniche sono state analizzate per mezzo della microscopia e spettroscopia ad effetto tunnel (STM/STS) in-situ, insieme alla diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED). Misure di spettroscopia Raman in-situ ed ex-situ hanno permesso di studiare le proprietà vibrazionali e di invecchiamento mentre le misure di fotoluminescenza hanno investigato le proprietà ottiche. Attraverso la combinazione dei risultati ottenuti con queste tecniche di caratterizzazione è stato possibile studiare il processo di crescita, la dipendenza del ricoprimento superficiale dai parametri di sintesi e l'influenza del substrato sulle proprietà misurate.