Graphdiyne nanoribbons: from metallorganic networks toward all-homocoupled systems

In recent years, the 2D carbon-based materials graphyne and graphdiyne have attracted attention due to their theoretical properties, which are comparable to those of graphene. However, challenges in their synthesis have posed obstacles to obtaining experimental results and their properties acquisition. The On-Surface Synthesis method, a bottom-up technique conducted in Ultra-High Vacuum (UHV), is commonly employed with a focus on precursors and metal substrates. Molecular precursors, serving as building block for the final product, are evaporated onto a substrate, leading to the formation of a self-assembled monolayer. Through the investigation of 1D graphyne and graphdiyne nanoribbons, a more accessible precursor is employed, and the overall homocoupling process is examined. This thesis analyzes the homocoupling process, starting from the formation of an organometallic nanoribbon system after deposition of a precursor consisting of a double-substituted benzene ring in the para position. The annealing induces the formation of the homocoupled system. Structural properties are characterized using Scanning Tunnel Microscopy (STM) and Low Energy Electron Diffraction (LEED), while vibrational properties are assessed through Raman spectroscopy. A comparative analysis of these results, depending on the annealing temperature, highlights the influence of temperature variation on the final system. The real-time transition from a metallorganic network to a homocoupled system is investigated using real-time spectroscopy during annealing. The stability of a homocoupled system in ambient atmosphere is investigated using Raman spectroscopy on a sample extracted from the vacuum chamber.

Negli ultimi anni, i materiali 2D a base carbonio graphyne e graphdiyne hanno suscitato un notevole interesse grazie alle loro proprietà, comparabili a quelle del grafene. Tuttavia, problemi legati alla loro sintesi non hanno permesso l'ottenimento di risultati sperimentali e l'acquisizione delle loro proprietà. Il metodo di sintesi comunemente impiegato è la sintesi in superficie, una tecnica bottom-up condotta in ultra alto vuoto focalizzata sulla scelta dei precursori e dei substrati metallici. I precursori molecolari, che agiscono come elementi fondamentali per il prodotto finale, vengono evaporati su un substrato, permettendo la formazione di un monostrato auto-assemblato. Per la sintesi di nanoribbons 1D di graphyne e graphdiyne, si utilizza un precursore di forma geometricamente più semplice e si esamina il processo generale di omoacoppiamento. Questa tesi analizza il processo di omoacoppiamento, partendo dalla formazione di un sistema di nanoribbons organometallici dopo la deposizione di un precursore formato da un anello di benzene con doppia sostituzione in posizione para. Il trattamento termico induce la formazione del sistema omoacoppiato. Le proprietà morfologiche sono analizzate mediante il microscopio a effetto tunnel (STM) e la diffrazione di elettroni a bassa energia (LEED) e le proprietà vibrazionali sono valutate mediante la spettroscopia Raman. Un'analisi comparativa dei risultati ottenuti evidenzia l'influenza delle diverse temperature di trattamento sul sistema finale. La transizione in tempo reale da un sistema metallorganico a uno omoaccoppiato è investigata tramite spettroscopia Raman in tempo reale durante il processo di annealing. La stabilità in ambiente atmosferico di un sistema omoaccoppiato viene esaminata tramite spettroscopia Raman su un campione estratto dalla camera da vuoto.