Nanoscale modulation & imaging of optical, electrical and mechanical properties of 2D materials

This PhD thesis provides an extensive study of the properties of 2D materials at the nanoscale, presenting novel features and at the same time exploring the possible ways to tune and engineer them at will. The main tools for nanoscale imaging used here are scanning probe techniques, such as scanning near-field optical microscopy (SNOM) and atomic force microscopy (AFM). In the first part, SNOM is used to explore hybrid light-matter modes, called polaritons, in a new anisotropic 2D material, which emerges as an additional natural crystal to support planar polaritons in the visible range, thereby providing an additional tool to shape light at the nanoscale. The dissertation further digs into the imaging and modulation of electro-mechanical properties of 2D hexagonal boron nitride (hBN), where an inter-layer twist of the layers creates a long-range lattice modulation affecting the material's properties, called moiré superlattice. This study provides an innovative approach, based on AFM modes, for sensing the effects of the moiré structural modulation. These results evidence how moiré superlattices can be used to generate tunable electrostatic patterns for 2D materials functionalization. Finally, another approach to engineer 2D materials properties is presented in the context of light emission from crystal defects in hBN. In this part, ion beams are used to address the structural composition of the crystal at an atomic level by generating defects. A practical avenue to control both their position and spectral emission is outlined, highlighting the mutual influence between the structural change and the optical properties. This research work spans nano-mechanics to nano-optics, offering new insights into light-matter interaction and material structuration's impact on electrical and optical properties, hence highlighting the potential for technological advancements with atomically thin materials, which are at the forefront of scientific investigations in many fields.

Questa tesi di dottorato fornisce uno studio approfondito delle proprietà dei materiali bidimensionali (2D) a scala nanometrica, presentando caratteristiche inedite e al tempo stesso esplorando nuovi modi per ingegnerizzarne le proprietà. Gli strumenti principali qui utilizzati per le indagini su scala nanometrica sono principalmente tecniche a scansione di sonda, come la microscopia ottica a scansione in campo vicino (SNOM) e la microscopia a forza atomica (AFM). Nella prima parte, la SNOM è utilizzata per esplorare modi ibridi luce-materia, chiamati polaritoni, in un nuovo materiale 2D anisotropico, che emerge come un ulteriore cristallo naturale per supportare polaritoni planari nello spettro visibile, fornendo così uno strumento aggiuntivo per modellare la luce a scala nanometrica. La dissertazione approfondisce poi il tema della visualizzazione e modulazione delle proprietà elettromeccaniche del nitruro di boro esagonale 2D (hBN), dove una rotazione viene applicata ad uno o più strati del cristallo creando così una modulazione a lungo raggio del reticolo atomico che ne influenza le proprietà, chiamata super-reticolo di moiré. Questo studio fornisce un approccio innovativo, basato su modalità AFM, per rilevare gli effetti della modulazione strutturale indotta dal moiré. Questi risultati evidenziano come questi super-reticoli possano essere utilizzati per generare distribuzioni spaziali regolabili di potenziali elettrostatici per la funzionalizzazione dei materiali 2D. Infine, viene presentato un ulteriore approccio per ingegnerizzare le proprietà dei materiali 2D nel contesto dell'emissione di luce da parte dei difetti cristallini nell'hBN. In questa parte, fasci di ioni altamente energetici sono utilizzati per modificare la composizione strutturale del cristallo a livello atomico generando difetti. Viene delineata una via pratica per controllare allo stesso tempo sia la loro posizione sia l'emissione spettrale, evidenziando l'influenza reciproca tra il cambiamento strutturale e le proprietà ottiche. Questo lavoro di ricerca spazia dalla nano-meccanica alla nano-ottica, offrendo nuovi spunti sull'interazione luce-materia e sull'impatto della strutturazione del materiale sulle proprietà elettriche e ottiche, evidenziando così il potenziale per avanzamenti tecnologici con materiali atomicamente sottili, attualmente all'avanguardia delle indagini scientifiche in molti campi.