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Cattelan, Mattia (2016) Graphene and beyond: development of new two-dimensional materials. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

During the three years of my PhD project, I explored part of the world of two-dimensional materials. My activity has been focused on the growth and analysis of two-dimensional materials by means of Surface Science techniques. For the growth both chemical methods, such as decomposition of gaseous precursors, as well as physical methods, such as evaporation of metals under ultra-high vacuum conditions, were used. The main method for studying the properties of these materials was photoemission spectroscopy from core levels and valence band.
The materials were mostly grown and analysed directly in-situ, avoiding air exposure, which is known to alter their properties. Taking the cue from the results on single materials, I further widened my investigation toward complex heterostructures, i.e. artificial architectures of two-dimensional materials. Systems stemming from different combinations among graphene, hexagonal boron nitride and two-dimensional chalcogenides were produced and investigated with the aim to unravel the structure-activity relationships in heterostructures.
The thesis is divided into four main chapters.
The first is an introduction to the world of two-dimensional materials and summarized the main themes and the general structure of the thesis.
The second chapter is dedicated to the growth and study of graphene, which is the archetype of this class of materials. After an introduction on its electrical properties and on its growth on conventional metal single crystals, the chapter is divided into four sections that cover specific issues. Paragraphs 2.1.1 and 2.1.2 examine the properties of graphene and nitrogen doped graphene in contact with ultra-thin layers of iron. The section 2.2 studies the reaction of water with graphene grown on nickel single crystal, for the production of hydrogen. The paragraph 2.3 describes the growth of graphene on an unconventional substrate: platinum nickel alloy (Pt3Ni).
The third chapter is devoted to the study of other two-dimensional materials firstly introducing the studied materials: hexagonal boron nitride, transition metals dichalcogenides, other layered chalcogenides and heterostructures. Afterward, this chapter continues with three specific sections: paragraphs 3.1.1 and 3.1.2 are dedicated to two innovative methods for preparing heterostructures under ultra-high vacuum conditions. The section 3.1.1 presents a new strategy to synthesize monolayer in-plane heterostructure composed by graphene and hexagonal boron nitride, the 3.1.2 discusses a versatile route to create vertically stacked heterostructures of various two-dimensional materials. The last paragraph, 3.2, reports a detailed investigation of the electronic and chemical properties of a bulk layered chalcogenide, indium selenide.
The fourth chapter summarizes the main conclusions of the work.

Abstract (italiano)

In questi tre anni di progetto di dottorato ho esplorato parte del mondo dei materiali bidimensionali. Il mio lavoro si è concentrato sull’analisi e la crescita di materiali bidimensionali con tecniche della Scienza delle Superfici. Per la crescita sono stati utilizzati sia metodi chimici, come la decomposizione di precursori gassosi, che fisici, come l’evaporazione di metalli in condizioni di ultra alto vuoto. Il metodo principale usato per studiare le proprietà di questi materiali è stata la fotoemissione da livelli di core e dalla banda di valenza.
I materiali sono stati in gran parte cresciuti e analizzati direttamente in-situ, cioè evitando l’esposizione all’aria che ne altera le loro proprietà. Prendendo spunto dai risultati sui singoli materiali ho ulteriormente ampliato le mia ricerca verso complesse eterostrutture, ossia delle architetture artificiali di materiali bidimensionali. I sistemi derivanti da diverse combinazioni di grafene, nitruro di boro esagonale e calcogenuri bidimensionali sono stati prodotti e analizzati con lo scopo di rivelare la relazioni tra struttura e attività nelle eterostrutture.
La tesi è divisa in quattro capitoli principali.
Il primo è un’introduzione al mondo dei materiali bidimensionali e riassume i temi principali e la struttura generale della tesi.
Il secondo capitolo è dedicato alla crescita e allo studio del grafene, archetipo di questa classe di materiali. Dopo un’introduzione sulle sue proprietà elettriche e sulla sua crescita su monocristalli metallici convenzionali il capitolo si suddivide in quattro sezioni che trattano tematiche specifiche. I paragrafi 2.1.1 e 2.1.2 esaminano le proprietà di grafene e grafene drogato azoto in contatto con strati ultrasottili di ferro. La sezione 2.2 studia la reazione dell’acqua con grafene cresciuto su monocristallo di nickel, per la produzione di idrogeno. Il paragrafo 2.3 descrive la crescita di grafene su un substrato non convenzionale: una lega di platino e nickel (Pt3Ni).
Il terzo capitolo è rivolto allo studio di altri materiali bidimensionali, innanzitutto introduce i materiali trattati: nitruro di boro esagonale, dicalcogenuri di metalli di transizione, altri calcogenuri stratificati e le eterostrutture. Poi prosegue con tre sezioni specifiche; i paragrafi 3.1.1 e 3.1.2 sono dedicati a due metodi innovativi per formare eterostrutture in condizioni di ultra alto vuoto. La sezione 3.1.1 presenta un nuovo metodo per sintetizzare l’eterostruttura nel piano composta da grafene e nitruro di boro esagonale, la 3.1.2 propone un metodo versatile per creare eterostrutture impilate verticalmente di vari materiali bidimensionali. L’ultimo paragrafo, 3.2, riporta una ricerca dettagliata sulle proprietà elettroniche e chimiche di un calcogenuro stratificato massivo, l’indio seleniuro.
Il quarto capitolo riassume le conclusioni del lavoro.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Agnoli, Stefano
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 28 > Scuole 28 > SCIENZA ED INGEGERIA DEI MATERIALI
Data di deposito della tesi:05 Gennaio 2016
Anno di Pubblicazione:05 Gennaio 2016
Parole chiave (italiano / inglese):Graphene, two-dimensional materials, hexagonal boron nitride, transition metal dichalcogenides, heterostructures, ultra-high vacuum, photoemission, angle resolved photoemission, temperature programmed desorption
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 03 - Scienze chimiche > CHIM/03 Chimica generale e inorganica
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento di Scienze Chimiche
Codice ID:9016
Depositato il:12 Ott 2016 11:52
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Bibliografia

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1 Geim, A. K.; Nobel Lecture: Random walk to graphene. Rev. Mod. Phys. 2011, 83, 851 Cerca con Google

2 Mayorov, A. S.; Gorbachev, R. V.; Morozov, S. V.; Britnell, L.; Jalil, R.; Ponomarenko, L. A.; Blake, P.; Novoselov, K. S.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Geim, A. K. Micrometer-scale ballistic transport in encapsulated graphene at room temperature. Nano Lett. 2011, 11, 2396. Cerca con Google

3 Lee, C.; Wei, X. D.; Kysar, J. W.; Hone, J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science 2008, 321, 385. Cerca con Google

4 Balandin, A. A. Thermal properties of graphene and nanostructured carbon materials. Nature Mater. 2011, 10, 569. Cerca con Google

5 Nair, R. R.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M. R.; Geim, A. K. Fine structure constant defines visual transparency of graphene. Science 2008, 320, 1308. Cerca con Google

6 Moser, J., Barreiro, A. & Bachtold, A. Current-induced cleaning of graphene. Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 163513. Cerca con Google

7 Elias, D. C.; Nair, R. R.; Mohiuddin, T. M. G.; Morozov, S. V.; Blake, P.; Halsall, M. P.; Ferrari, A. C.; Boukhvalov, D. W.; Katsnelson, M. I.; Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Control of graphene’s properties by reversible hydrogenation: evidence for graphane. Science, 2009, 323, 610. Cerca con Google

8 Loh, K. P.; Bao, Q. L.; Ang, P. K.; Yang, J. X. The chemistry of graphene. J. Mater. Chem. 2010, 20, 2277. Cerca con Google

9 Nair, R. R.; Ren, W.; Jalil, R.; Riaz, I.; kravets, V. G.; Britnell, L.; Blake. P.; Schedin, F.; Mayorov, A. S.; Yuan, S.; Katsnelson, M. I.; Cheng, H.-M.; Strupinski, W.; Bulusheva, L. G.; Okotrub, A. V.; Grigorieva, I. V.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Geim, A. K. Fluorographene: a two-dimensional counterpart of Teflon. Small 2010, 6, 2877. Cerca con Google

10 Dreyer, D. R.; Park, S.; Bielawski, C. W.; Ruoff, R. S. The chemistry of graphene oxide. Chem. Soc. Rev. 2012, 39, 228. Cerca con Google

11 Novoselov, K. S.; Fal’ko, V. S.; Colombo, L.; Gellert, P. R.; Schwab, M. G.; Kim, K. A roadmap for graphene. Nature 2012, 490, 192. Cerca con Google

12 Schwierz, F. Graphene transistors. Nat. Nanotech. 2010, 5, 487. Cerca con Google

13 Sofo, J. O.; Chaudhari, A. S.; Barber. G. D. Graphane: A two-dimensional hydrocarbon. Phys. Rev. B 2007, 75, 153401. Cerca con Google

14 Li, X.; Wang, X.; Zhang, L.; Lee, S.; Dai, H.; Chemically derived, ultrasmooth graphene nanoribbon semiconductors. Science 2008, 319, 1229. Cerca con Google

15 Yang, H.; Heo, J.; Seongjun, P.; Song, H. J.; Seo, S. H.; Byun, K.-H.; Kim, P.; yoo, I; Chung, H.-J.; Kim, K.; Graphene barristor, a triode device with a gate-controlled schottky barrier. Science 2012, 336, 1140. Cerca con Google

16 Geim, A. K.; Grigorieva, I. V. Van der Waals heterostructures. Nature 2013, 499, 419. Cerca con Google

17 Reich, R. S. Phosphorene excites materials scientists. Nature 2014, 506,19. Cerca con Google

18 Vogt, P.; De Padova, P.; Quaresima, C.; Avila, J.; Frantzeskakis, E.; Asensio, M. C.; Resta, A.; Ealet, B.; Le Lay, G. Silicene: Compelling experimental evidence for graphenelike two-dimensional silicon. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 155501. Cerca con Google

19 Pakdel, A.; Bando, Y.; Golberg, D. Nano boron nitride flatland. Chem. Soc. Rev., 2014, 43, 934. Cerca con Google

20 B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis Single-layer MoS2 transistors. Nat. Nanotech. 2011, 6, 147. Cerca con Google

21 Kubota, Y.; Watanabe, K.; Tsuda, O.; Taniguchi, T. Deep ultraviolet light-emitting hexagonal boron nitride synthesized at atmospheric pressure. Science 2007, 317, 932. Cerca con Google

22 Splendiani, A.; Sun, L.; Zhang, Y.; Li, T.; Kim, J.; Chim, C.-Y.; Galli, G.; Wang, F. Emerging photoluminescence in monolayer MoS2. Nano Lett., 2010, 10, 1271. Cerca con Google

23 Lukowski, M. A.; Daniel, A. S.; Meng, F.; Forticaux, A.; Li, L.; Jin, S. Enhanced Hydrogen Evolution Catalysis from Chemically Exfoliated Metallic MoS2 Nanosheets. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10274. Cerca con Google

24 Li, H.; Zhang, Q.; Yap, C. C. R.; Tay, B. K.; Edwin, T. H. T.; Olivier, A.; Baillargeat, D. From bulk to monolayer MoS2: evolution of Raman scattering. Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 1385. Cerca con Google

25 Cao, Y.; Mishchenko, A.; Yu, G. L.; Khestanova, E.; Rooney, A. P.; Prestat, E.; Kretinin, A. V., Blake, P.; Shalom, M. B.; Woods, C.; Chapman, J.; Balakrishanan, Grigorieva, I. V.; Novoselov, K.; Piot, B. A.; Potemski, M.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Haigh, S. J.; Geim, A. K.; Gorbachev, R. V. Quality heterostructures from two-dimensional crystals unstable in air by their assembly in inert atmosphere. Nano Lett., 2015, 15, 4914. Cerca con Google

26 Gillgren, N.; Wickramaratne, D.; Shi, Y.; Espiritu, T.; Yang, J.; Hu, J.; Wei, J.; Liu, X.; Mao, Z.; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Bockrath, M.; Barlas, Y.; Lake, R. K.; Lau, C. N. Gate tunable quantum oscillations in air-stable and high mobility few-layer phosphorene heterostructures. 2D Mater, 2015, 2, 011001. Cerca con Google

27 Haigh, S. J.; Gholinia, A.; Jalil, R.; Romani, S.; Britnell, L.; Elias, D. C.; Novoselov, K. S.; Ponomarenko, L. A.; Geim, A. K.; Gorbachev, R. Cross-sectional imaging of individual layers and buried interfaces of graphene-based heterostructures and superlattices. Nat. Mater. 2012, 11, 764. Cerca con Google

28 Levendorf, M. P.; Ruiz-Vargas, C. S.; Garg, S.; Park, J. Transfer-free batch fabrication of single layer graphene transistors. Nano Lett., 2009, 9, 4479. Cerca con Google

29 Ambrosi, A.; Pumera, M. The CVD graphene transfer procedure introduces metallic impurities which alter the graphene electrochemical properties. Nanoscale 2014, 6, 472. Cerca con Google

30 Fang, H.; Battaglia, C.; Carraro, C.; Nemsak, S.; Ozdol, B.; Kang, J. S.; Bechtel, H. A.; Desai, S. B.; Kronast, F.; Unal, A. A. M.; Conti, G.; Conlon, C.; Palsson, G. K.; Martin, M. C.; Minor, A. M.; Fadley, C. S.; Yablonovitch, E.; Maboudian, R.; Javey, A. Strong interlayer coupling in van der Waals heterostructures built from single-layer chalcogenides. Proc. Natl. Acad. Sci. U S A., 2014, 111, 6198. Cerca con Google

31 Duesberg, G. S. Heterojunctions in 2D semiconductors. A perfect match. Nat. Mater., 2014, 13, 1075. Cerca con Google

32 Voiry, D.; Yamaguchi, H.; Li, J.; Silva, R.; Alves, D. C. B.; Fujita, T.; Chen, M.; Asefa, T.; Shenoy, V. B.; Eda, G.; Chhowalla, M. Enhanced catalytic activity in strained chemically exfoliated WS2 nanosheets for hydrogen evolution. Nat. Mater. 2013, 12, 850. Cerca con Google

33 Koperski, M.; Nogajewski, K.; Arora, A.; Cherkez, V.; Mallet, P.; Veuillen, J.-Y.; Marcus, J.; Kossacki, P.; Potemski, M. Single photon emitters in exfoliated WSe2 structures. Nat. Nanotech. 2015, 10, 503. Cerca con Google

34 Sucharitakul, S.; Goble, N. J.; Kumar, U. R.; Sankar, R.; Bogorad, Z. A.; Chou, F.-C.; Chen, Y.-T.; Gao, X. P. A. Intrinsic electron mobility exceeding 103 cm2/(V s) in multilayer InSe FETs. Nano Lett., 2015, 15, 3815. Cerca con Google

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