Estudio del crecimiento, difusión, intercalación y dopaje en grafeno/Rh(111) mediante STM en condiciones de UHV
- Autores: Ana Martín Recio
- Directores de la Tesis: José María Gómez Rodriguez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Félix Yndurain (presid.), Amadeo L. Vázquez de Parga (secret.), Pavel Jelinek (voc.), Carmen Ocal Garcia (voc.), José Ángel Martín Gago (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
Todo el estudio presentado aquí se enmarca dentro del campo de la física de superficies ya que ha sido realizado experimentalmente en condiciones de ultra-alto vacío (UHV, ultra-high vacuum) y con la microscopía de efecto túnel de temperatura variable (VT-STM, variable temperature scanning tunneling microscopy) como técnica fundamental. La posibilidad de variar la temperatura abre un abanico de posibilidades y experimentos accesibles con el STM. Nos permite, por ejemplo, estudiar procesos activados térmicamente, ralentizar los procesos de difusión superficial para poder observarlos experimentalmente o mejorar nuestra resolución espectroscópica si se alcanzan temperaturas criogénicas. También se han utilizado otras técnicas experimentales complementarias como la difracción de electrones de baja energía (LEED, low energy electron difraction) o la espectroscopía de electrones Auger (AES, Auger electron spectroscopy). Además, la autora del trabajo aquí presentado ha utilizado el lenguaje de programación Fortran para realizar modelos geométricos de los sistemas experimentales observados. Los cálculos de primeros principios basados en la teoría del funcional de la densidad (DFT) y las simulaciones de STM que se muestran han sido realizados por Carlos Romero Muñiz, Pablo Pou y Rubén Pérez en colaboración con nuestro grupo.
Esta memoria se ha dividido en cinco capítulos. El primero de ellos comienza con una introducción breve al STM y sus modos de medida, siguiendo con la presentación del sistema experimental utilizado durante toda esta tesis y termina con una descripción sencilla del grafeno. En este último apartado, se hará hincapié en el crecimiento de grafeno sobre metales por descomposición de hidrocarburos en fase vapor (CVD, chemical vapor deposition) en UHV ya que ha sido la técnica principal de esta tesis, y en la distinción entre sistemas grafeno/metal débil y fuertemente acoplados ya que esta clasificación será fundamental para entender la importancia y novedad de los resultados que en esta tesis se muestran.
En el segundo capítulo se presenta el estudio realizado sobre el crecimiento de grafeno en Rh(111) mediante CVD y segregación de carbono del volumen del metal a altas temperaturas. Se mostrará que, a pesar de lo que se proponía en general para casos de interacción fuerte entre el grafeno y el metal, el grafeno crece con diferentes orientaciones sobre el Rh(111), formando un patrón de moiré diferente para cada dominio rotacional. Con la ayuda de cálculos de primeros principios, se describe el mecanismo que estabiliza todos estos patrones y cómo la corrugación de los mismos es un parámetro fundamental en este proceso.
En el tercer capítulo se describe la difusión y el crecimiento de sub-monocapas ordenadas de la molécula orgánica 1,3,5-triacina sobre grafeno/Rh(111). Este trabajo queda enmarcado en un proyecto más amplio y complementa y da mayor alcance al estudio realizado con anterioridad en el mismo laboratorio durante la tesis doctoral de Antonio J. Martínez Galera, en el que se depositó esta molécula en grafito altamente Motivación y resumen -11- orientado (HOPG), en grafeno/Pt(111) y en Cu(111). Los modos de difusión y nucleación de las moléculas en una superficie claramente son dependientes del tipo de interacción que la molécula sufre tanto con el substrato como con las moléculas vecinas. Por eso, el objetivo de este estudio es el de ver cómo afectan las diferentes interacciones grafeno-substrato en las interacciónes de las moléculas con el grafeno.
De este modo, con el trabajo final en grafeno/Rh(111), se compararán los cuatro substratos estudiados en nuestro laboratorio.
En el cuarto capítulo se hace una descripción detallada del proceso de intercalación de oxígeno atómico entre el grafeno y el Rh(111). Gracias al buen control de la temperatura y la presión en el sistema, se ha podido observar paso a paso la transición de un grafeno acoplado al metal, a un grafeno estructural y electrónicamente desacoplado. Con el STM hemos sido capaces de seguir fácilmente las diferentes etapas de la intercalación gracias a nuestro estudio de la dependencia de la corrugación con el grado de intercalación. De este modo, quedan descritos experimental y teóricamente, combinando, de nuevo, datos experimentales con cálculos DFT, la mayoría de los procesos ocurridos desde que se expone la muestra a la fuente de oxígeno molecular, hasta que se obtiene finalmente un grafeno con propiedades parecidas a las del grafeno aislado: la disociación de la molécula y posterior difusión atómica sobre la superficie de grafeno, los mecanismos de penetración del oxígeno en la intercara a partir de los escalones superficiales, la movilidad del oxígeno en la intercara, la variación de la corrugación según el oxígeno se va incorporando y, por último, el desacoplamiento electrónico y el dopaje del grafeno cuando el proceso de intercalación ha sido completado.
Finalmente, el capítulo cinco muestra nuestro estudio sobre el crecimiento y la caracterización de grafeno dopado por substitución de átomos de carbono con átomos de nitrógeno. Se han utilizado dos técnicas de preparación de las muestras diferentes sobre dos sistemas grafeno/metal antagónicos: grafeno/Rh(111) como modelo de interacción fuerte y grafeno/Pt(111) como caso típico de interacción débil. Por último, y como cabría plantearse, se junta la técnica de la intercalación de oxígeno para obtener un sistema de grafeno bien desacoplado sobre Rh(111), con el dopaje con nitrógeno.
