Exploration of novel 2D materials: from transition metal dichalcogenides to carbon-based systems beyond graphene

Two-dimensional (2D) materials have revolutionized many scientific fields such as electronics and photonics due to the unique properties arising from their quantum confinement along one dimension. The discovery of graphene, pushed research towards the study of advanced organic and inorganic 2D semiconductors. Among the inorganic ones, molybdenum disulphide (MoS2) gained much attention for its bulk-to-monolayer induced transition from indirect to direct bandgap, that enhances its optical and transport properties. Among organic ones, a recently developed branch of research is focused on innovative carbon-based 2D materials, aiming at the development of semiconducting graphene-like structures suitable for next generation nanodevices. In this work, MoS2 was synthesized through pulsed laser deposition (PLD), a technique recently applied to 2D materials, that provides precise control over the number of deposited layers. By tuning the PLD parameters, MoS2 was deposited on both metallic and non-metallic substrates, aiming to achieve a monolayer configuration. The formation of monolayer was verified using scanning tunneling microscopy (STM) on silver substrate, and Raman spectroscopy on silicon dioxide (SiO2) and glass. The scanning electron microscopy (SEM), combined with Raman spectroscopy, allowed to understand the growth mechanism of MoS2 on SiO2: when the amount of deposited material is below a certain treshold, MoS2 tends to aggregates into separated bulky island, while above it, it is enough to promote the coalescence of the islands into a uniform 2D film. Raman spectroscopy was employed also to assess the samples stability under atmospheric conditions, demonstrating 2D MoS2 stability on SiO2 and its instability on glass. For what concern carbon-based materials, 2D heterostructures composed by graphene nanorribbons (GNRs) and graphdiyne (GDY) nanonetworks grown on gold substrates, were synthesized and investigated for the first time. The main interest in exploring these novel 2D nanostructures relies on their unique predicted electronic and transport properties, resulting from the combination of those of graphene and GDY’s. The successful formation of the heterostructures was validated by STM, while their vibrational properties were characterized using Raman spectroscopy. STM analysis provided insights into the nucleation and growth mechanism of the heterostructures, highlighting the role of gold adatoms on the GDY nanonetwork formation and the binding between GNRs and GDYs.

I materiali bidimensionali (2D) hanno rivoluzionato campi come l'elettronica e la fotonica grazie alle loro straordinarie proprietà, derivanti dal confinamento quantico in una direzione. La scoperta del grafene ha spinto la ricerca verso lo studio di semiconduttori, inorganici e organici, 2D avanzati. Tra quelli inorganici, il disolfuro di molibdeno (MoS2) ha attratto notevole attenzione per la transizione del suo gap energetico da indiretto a diretto passando dal cristallo bulk a monolayer, aumentandone così la fotoattività e il trasporto di carica. Tra gli organici, una nuova branca di ricerca si è focalizzata su materiali 2D innovativi a base di carbonio, con l'obiettivo di sviluppare semiconduttori simili al grafene, adatti a essere integrati in nanodispositivi di futura generazione. In questa tesi, il MoS2 è stato sintetizzato tramite ablazione a impulsi laser (PLD), una tecnica che di recente è stata applicata ai materiali 2D, che consente un controllo preciso sul numero di layer depositati. Ottimizzando i parametri di ablazione, il MoS2 è stato depositato su substrati metallici e non metallici, con l'obiettivo di ottenere un materiale bidimensionale. La microscopia a effetto tunnel (STM) ha permesso di verificare la formazione del monolayer su argento, mentre con la spettroscopia Raman è stata verificata su ossido di silicio e su vetro. Tramite il microscopio elettronico a scansione (SEM), è stato possibile visualizzare il meccanismo di crescita del MoS2 su ossido di silicio, evidenziando una crescita iniziale a isole che diventava uno strato omogeneo aumentando la quantità di materiale depositato. Inoltre, la spettroscopia Raman ex situ ha permesso di valutare la stabilità in condizioni atmosferiche dei campioni depositati su substrati non metallici, per dimostrare la loro applicabilità. Dallo studio è emerso che il MoS2 depositato su ossido di silicio risulta stabile per tempi prolungati, mentre i campioni su vetro diventano instabili dopo qualche giorno di esposizione all'atmosfera. Per quanto riguarda i materiali a base di carbonio, eterostrutture 2D composte da nanoribbons di grafene (GNR) e nanonetworks di graphdiyne (GDY) sono state cresciute su substrati d'oro. Queste eterostrutture combinano sinergicamente le proprietà eccezionali di entrambi i materiali, migliorando le prestazioni complessive per applicazioni alla nanoscala. La formazione di queste eterostrutture è stata convalidata mediante STM, mentre le loro proprietà vibrazionali sono state caratterizzate tramite la spettroscopia Raman in situ. L'analisi STM ha permesso di indagare i punti di nucleazione, il meccanismo di crescita e di ricoprimento della superficie d'oro e nonchè il ruolo del substrato nella loro formazione. In particolare, si è osservato che gli adatomi d'oro svolgono un ruolo fondamentale nella connessione tra GNR e GDY e nella formazione dei nanonetwork di GDY.