On-surface synthesis of graphdiyne systems : structural, electronic and vibrational properties

In the last years, numerous attempts have been done by the scientific community to synthesize novel carbon allotropes with mixed hybridization. The aim is to extend the library of the already known carbon materials and analyse their electronic, structural and vibrational properties, for the implementation of these materials in advanced technological applications such as electronic devices, solar cells, chemical sensors and many others. In this context, graphyne and graphdiyne systems have gained a lot of attention due to their two-dimensional structure and attractive predicted properties including flexibility, extended conjugation and high electron mobility. For this reason, many efforts have been reported in the literature for the development of synthesis strategies able to generate large-area graphdiyne systems. Among these, a significantly potential technique is the on-surface synthesis, which is a bottom-up technique relying on the evaporation of custom-made molecular precursors toward a metallic substrate followed by a surface-catalyzed reaction. The advantage of this approach is the possibility to perform the deposition in a ultra-high vacuum (UHV) chamber which can be coupled with a Scanning Tunneling Microscope (STM). In this way, the morphological, structural and electronic properties of the on-surface synthesized systems can be easily investigated. Low-Energy Electron Diffraction (LEED) can be used as a complementary technique to derive the periodicity of the lattice of the produced graphdiynes. Moreover, Raman Spectroscopy can be utilized to determine the normal modes of vibration of the nanostructures and study the structural stability of the graphdiynes both in vacuum and at ambient pressure. In the current thesis work, extended graphdiyne systems and nanoribbons of graphdiyne have been realized starting from two different molecular precursors and analyzed using the characterization techniques mentioned above. The metallic substrates selected for the deposition are two, Au(111) and Ag(111). Additionally, preliminary studies on the possibility to fabricate lateral heterojunctions using the on-surface synthesis have also been considered.

Negli ultimi anni, numerosi sforzi sono stati fatti dalla comunità scientifica nell'intento di sintetizzare nuovi allotropi di carbonio con ibridazione mista. L'obiettivo è quello di estendere la libreria dei materiali a base di carbonio conosciuti e di analizzarne le proprietà elettroniche, strutturali e vibrazionali, in modo tale da poter implementare questi materiali in applicazioni di tecnologia avanzati come dispositivi elettronici, celle solari, sensori chimici, ecc. In questo contesto, grafine e grafidine hanno attratto numerose attenzioni a causa della loro struttura due-dimensionale e promettenti proprietà, che includono flessibilità, estesa coniugazione ed elevata mobilità degli elettroni. Per questo motivo, in letteratura si riportano svariati esempi di tentativi di sintesi di queste nanostrutture. In particolare, una tecnica che si è dimostrata essere molto promettente è la sintesi su superficie, che consiste nell'evaporazione di specifiche molecole di precursore su un substrato metallico e in una successiva reazione chimica catalizzata dal substrato. Il vantaggio di questa tecnica è la possibilità di essere realizzata all'interno di una camera in ultra-alto vuoto (UHV) che può essere collegata a un Microscopio a Effetto Tunnel (STM). In questo modo, le proprietà morfologiche, strutturali ed elettroniche dei campioni prodotti possono essere facilmente investigate. La Diffrazione di Elettroni a Bassa Energia (LEED) può essere utilizzata come tecnica complemetare per determinare la periodicità del reticolo. Inoltre, la Spettroscopia Raman permette di determinare i modi normali di vibrazione delle nanostrutture e di studiarne la stabilità sia in vuoto che a pressione atmosferica. In questo lavoro di tesi, grafidine estese e nanoribbon di grafidine sono state fabbricate a partire da due diversi tipi di precursore e le loro proprietà sono state analizzate utilizzando le tecniche precedentemente introdotte. I substrati metallici selezionati per la deposizione sono Au(111) e Ag(111). Inoltre, sono stati anche compiuti dei studi preliminari sulla possibilità di realizzare delle eterogiunzioni laterali sfruttando la tecnica della sintesi su superficie.