Resumen de Graphene synthesis on a surface by molecular beam epitaxy using a carbon-solid source
Hasta ahora, el crecimiento directo de grafeno sobre un material ha estado limitado a los metales de transición. Esto es debido a que los métodos más usados, como el CVD, necesitan de las propiedades catalíticas de estos materiales para favorecer la formación de grafeno. Esta limitación nos ha conducido al objetivo de este trabajo: sintetizar grafeno sobre un aislante; y para hacerlo, hemos usado la técnica de crecimiento epitaxial de haces moleculares (MBE) con una fuente de carbono sólida.
Hemos desarrollado y adaptado este método (el MBE) a nuestra cámara UHV. La combinación de las condiciones de ultra alto vacío y el uso del MBE nos permite un gran control de las condiciones de crecimiento y ayuda a elucidar el proceso de crecimiento de grafeno en superficies. Además, usando esta técnica, podemos sintetizar grafeno en grandes áreas y no estamos limitados a la naturaleza del sustrato pues, podemos crecerlo directamente sobre materiales aislantes o semiconductores.
Antes de llegar a nuestro objetivo, tuvimos que realizar varios pasos previos. Todo este proceso es presentado en este trabajo, desde el ensamblaje del método para crecer grafeno, la síntesis de grafeno en una superficie conocida (platino (111)) y en otra menos habitual (oro (111)), hasta finalmente, el crecimiento de grafeno sobre un aislante (diamante). El diamante es un material hecho de los mismos atomos que el grafeno. Tiene interesantes propiedades como la dureza y la conductividad térmica más alta a la de cualquier otro material. Por tanto, el sistema grafeno-diamante puede tener un alto interés tecnológico. Aquí, hemos usados dos superficies diferentes (C(111) y C(100)) dopados con boro o nitrógeno, por lo que el diamante se comporta como un semiconductor. Esto es necesario para poder usar el microscopio efecto túnel (STM), el cual es la principal técnica utilizada en este trabajo.
Para la caracterización de las capas de grafeno se han utilizado técnicas de física de superficies in situ como difracción de electrones a baja energía (LEED), espectroscopía de electrones Auger (AES), espectroscopía de masas (QMS) y microscopía túnel (STM). Además, hemos usado ex situ, espectroscopía Raman para la caracterización de grafeno-diamante.
Los resultados obtenidos de las diferentes técnicas de superficies demuestran la formación de grafeno con diferentes apariencias. Por ejemplo, grandes áreas ordenadas con patrones de moiré que corresponden a una monocapa de G/Pt(111), islas dendríticas de grafeno fijadas a aristas atómicas en Au(111) o nano-islas con diferentes orientaciones sobre diamante. De esta manera, nuestro método basado en la sublimación directa de átomos de carbono en una superficie abre nuevas posibilidades para la formación de grafeno en muchos sustratos diferentes con aplicaciones tecnológicas potenciales.
Por otra parte, al final de esta disertación, hemos dedicado el último capítulo de resultados para un tema diferente. Éste está basado en la sublimación directa de una molécula de gran tamaño bajo condiciones de ultra alto vacío, y la transfomación de su estructura debida a la sublimación de moléculas de agua.
En la ciencia de superficies, el uso de condiciones de UHV es un buen enfoque para el control de la funcionalidad, el tamaño y la forma de las nuevas nanoestructuras por la sublimación de moléculas. Sin embargo, la estabilidad de estas moléculas presenta una limitación que no permite la sublimación sin que haya daño estructural durante ese proceso. Por esta razón, en la mayoría de estudios previos, de moléculas complejas y grandes sobre superficies, las moléculas fueron transferidas de una solución, o por una técnica de impresión en seco en el sustrato para preservar el núcleo frágil.
En el capítulo seis, mostramos los resultados de la manipulación de un compuesto de metal de transición con una estructura robusta [Cu4(m3-Cl)4(m-pym2S2)4] (pym2S2= di-pirimidina disulfuro) (llamado Cu4Cl4). Hemos sido capaces de sublimarlo manteniendo su integridad molecular y estudiamos cómo se autoensamblan moléculas sin que la superficie de Cu(110) las rompa. Luego, observamos in situ cómo la estructura autoensamblada se transforma en presencia de moléculas de agua. Así, analizamos en detalle los procesos químicos y físicos que implican la transformación y determinamos la estructura final obtenida con la combinación de técnicas de superficie y cálculos de DFT. Nuestros resultados experimentales revelan que el sustrato ha desempeñado un papel importante en esta transformación. Las interacciones de la superficie Cu(110) con las moléculas de agua y los átomos del grupo Cu4Cl4 inducen el cambio. En consecuencia, proponemos un modelo para las moléculas ensambladas resultantes después de la reacción.
