Riassunto analitico
Il grafene, un materiale bidimensionale costituito da un monostrato di atomi di carbonio organizzati secondo una struttura cristallina a celle esagonali, è uno dei sistemi più studiati nell'ultimo decennio, per le sue peculiari proprietà elettroniche, meccaniche e termiche. Il grafene intrinseco è un semiconduttore a band-gap nullo e la sua struttura a bande presenta due coni di Dirac per zona di Brillouin. Per via delle eccellenti proprietà elettroniche che ne derivano (altissima mobilità dei portatori di carica), esso è considerato uno dei candidati più promettenti per rimpiazzare il silicio nei dispositivi elettronici. Tuttavia, il suo carattere semimetallico ostacola il sogno di una microelettronica basata sul grafene. Molti sforzi sono stati dedicati a studiare meccanismi in grado di aprire un gap energetico nella sua densità degli stati. Tra le tecniche più utilizzate, quella di ridurre il grafene a strisce nanometriche (nanoribbons, GNR) per aprire un bandgap attraverso l'effetto quantistico del confinamento laterale è fra le più promettenti. E' infatti dimostrato come il gap che ne risulta dipenda inversamente dalla larghezza del nanoribbon e dalla configurazione dei bordi laterali. GNR di alta qualità e larghezza limitata a qualche nanometro (gap dell’ordine di 1-2 eV), possono essere cresciuti su superfici metalliche utilizzando una strategia di fabbricazione bottom-up che si basa sul metodo di sintesi chimica di Ullmann. Questa tecnica permette un controllo a livello atomico della forma e della topologia dei bordi laterali, inarrivabile con altre tecniche di fabbricazione. Il mio lavoro di tesi, svolto presso il laboratorio SESAMO-MFE dell'Università di Modena e Reggio Emilia e in parte presso la beamline APE del Sincrotrone Elettra di Trieste, riguarda lo studio della crescita e la caratterizzazione delle proprietà vibrazionali ed elettroniche di GNR sintetizzati sulle superfici Au(111) e Au(788). Sono state prese in considerazione classi di GNR caratterizzate da morfologie diverse, quali in particolare i 7-AGNR (con bordi armchair) e gli N- CGNR (chevron, contenenti azoto). Quest'ultimo tipo di GNR è particolarmente interessante perché, grazie all'introduzione di atomi di azoto nelle molecole precursore, risulta avere un drogaggio di tipo n. Ad oggi, lo strumento principe per analizzare la morfologia e la lunghezza dei nanoribbons è il microscopio ad effetto tunnel (STM), che fornisce però informazioni su aree limitate del campione. Il primo obbiettivo è stato quello di dimostrare come sia possibile ricavare informazioni (integrate su aree macroscopiche) sulla morfologia e sulla lunghezza dei nanoribbon a partire da spettri HREELS (High Resolution Electron Energy Loss Spresctroscopy) vibrazionali. Gli spettri HREELS dei GNRs cresciuti su oro sono infatti caratterizzati da una intensa struttura manifold, attribuibile ai modi CH fuori-dal-piano. La frequenza e l'intensità di questi modi dipendono fortemente dalla topologia degli idrogeni che saturano i bordi della nanostruttura: la forma di riga del manifold, se correttamente interpretata, fornisce pertanto importanti informazioni sulle proprietà morfologiche del GNR. I modi vibrazionali dei diversi tipi di GNR sono stati individuati e classificati con riferimento alla letteratura relativa agli spettri IR di macromolecole aromatiche e confrontandosi con conti DFT, con i quali è stata trovata un'ottima corrispondenza. Nel caso del sistema 7-AGNR/Au(111) inoltre, il confronto fra spettri HREELS e immagini STM ha permesso di verificare la correlazione fra la forma di riga del manifold CH e la lunghezza media dei GNRs, dimostrando così le potenzialità dell’HREELS come strumento per valutare la qualità dei nanoribbon cresciuti. Inoltre, le proprietà elettroniche degli N-CGNR cresciuti sulla superficie vicinale Au(788) sono state studiate tramite fotoemissione risolta in angolo (ARPES) e EELS elettronico.
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