Intercalation and oxidation of Cobalt under Graphene on Iridium(111)

Since its first stabilization in 2004, graphene has played a crucial role in experimental physics research, for its peculiar electronic, mechanical, and optical properties: electron mobility of 2.5 · 105 cm^2/Vs , thermal conductivity above 3000 W/mK , discrete optical spectrum absorption equal for each wavelength. The Surface Physics research has been focusing, in the last 20 years, on the possible ways to exploit graphene to enhance the efficiency of electronic devices for technological innovations. The Graphene Field-Effect Transis- tor (GFET), in which the graphene is used as the conductive channel between the source and the drain on top of the insulating layer, and graphene-metal interfaces, in which a thin insulating layer is usually used to electronically decouple them, repre- sent the new research frontiers in applied electronic physics. In both cases, although the graphene-insulator structure is a crucial factor, growing graphene on an insulating oxide substrate presents significant challenges due to the nature of the insulating surface. Un- like metallic substrates, the low interaction between the graphene and the oxide substrate and the presence of oxygen on the oxide surface usually lead to poor adhesion and the formation of defects during growth. In addition, controlling the thickness of the graphene layer on an insulating oxide substrate requires precise tuning of growth parameters to ensure adequate interaction between the precursor gases, like ethylene, and the oxide surface. A promising approach to address these challenges involves the intercalation and oxidation of a thin layer of metals beneath the graphene layer. Within this approach, the purpose of this thesis is to investigate the intercalation and the oxidation of Cobalt under graphene, previously grown on a suitable metallic substrate like Iridium(111). More- over, the graphene-cobalt oxide-iridium structure holds promise for catalytic applications: Cobalt oxide is, indeed, a key catalyst for water splitting into oxygen and hydrogen and for the transformation of carbon monoxide molecules into carbon dioxide molecules. How- ever, when the cobalt oxide is enveloped by graphene, catalytic activity is hampered or, at least, strongly hindered. Conversely, selective removal of graphene reveals the catalytic sites of cobalt oxide, thereby enhancing their accessibility for chemical reactions. For this reason, a brief investigation has been conducted to highlight the effects of graphene removal and the thickening of cobalt oxide layers on the iridium substrate. The growth of the sample has been carried out through Molecular Beam Epitaxy (MBE) and Chemical Vapor Deposition (CVD), while the chemical, structural, and morphological properties through Auger Emission Spectroscopy (AES), Low Energy Electron Diffraction (LEED), and Scanning Tunneling Microscopy (STM).

Fin da quando fu stabilizzato per la prima volta nel 2004, il Grafene ha avuto un ruolo cruciale nella ricerca in fisica sperimentale, a causa delle sue peculiari proprietà mecca- niche, elettroniche e ottiche: mobilità elettronica pari a 2.5 · 105 cm^2/Vs , conducibilità termica oltre i 3, 000 W/mK , spettro di assorbimento discreto e uguale per tutte le lunghezze d’onda. La ricerca nel campo della Fisica delle Superfici si è focalizzata, negli ultimi 20 anni, su come sfruttare il grafene nel progresso tecnologico per migliorare l’efficienza dei dispos- itivi elettronici. Il Graphene Field-Effect Transistor (GFET), in cui il grafene è usato come canale conduttivo tra source e drain su un layer isolante, e le interfacce grafene- metallo, in cui un layer isolante è solitamente usato per disaccoppiarli elettronicamente, rappresentano le nuove frontiere della ricerca. In entrambi i casi, sebbene la struttura grafene-isolante sia cruciale, crescere il grafene su un substrato ossido isolante rappre- senta una vera e propria sfida a causa delle proprietà delle superfici isolanti. Contraria- mente a quanto accade per i substrati metallici, la scarsa interazione tra grafene e ossido isolante e la presenza di ossigeno sulla superficie dell’ossido sono causa di bassa adesione e della conseguente formazione di difetti durate la crescita. In più controllare lo spessore del grafene durante la crescita su un ossido richiede una regolazione molto precisa dei parametri di crescita, in modo da ottenere un’adeguata interazione tra i gas precursori, come l’etilene, e la superficie dell’ossido. Un approccio promettente per risolvere questi problemi riguarda l’intercalazione e l’ossidazione di uno strato sottile di metallo al di sotto del grafene. Utilizzando questo approccio, lo scopo della tesi è investigare l’intercalazione e l’ossidazione del Cobalto al di sotto del grafene precedentemente cresciuto su un ap- propriato substrato metallico come l’Iridio(111). Inoltre, la struttura graphene-ossido di cobalto-iridio è molto promettente anche per applicazione catalitiche: l’ossido di cobalto è, infatti, un catalizzatore chiave per scindere l’acqua in ossigeno e idrogeno e per trasfor- mare le molecole di monossido di carbonio e molecole di biossido di carbonio. Tuttavia, quando l’ossido di cobalto è totalmente ricoperto dal grafene, le sue proprietà catalitiche sono bloccate o quantomeno ridotte. Al contrario, la selettiva rimozione del grafene sco- pre i siti catalitici dell’ossido di cobalto, perciò aumentando l’accessibilità e favorendo le reazioni chimiche. La crescita dei campioni è stata ottenuta grazie alle tecniche di Molec- ular Beam Epitaxy (MBE) e Chemical Vapor Deposition (CVD), mentre l’analisi chimica, strutturale e morfologica è stata ottenuta tramite Auger Emission Spectroscopy (AES), Low Energy Electron Diffraction (LEED), and Scanning Tunneling Microscopy (STM).