Grafeno epitaxial en metales de transiciónestudio mediante microscopía y espectroscopia de efecto túnel

Resumen

El grafeno es un material fascinante con una estructura electrónica única. Aunque fue en 1947 cuando P. R. Wallace calculó teóricamente por primera vez la estructura de bandas del grafeno, no fue hasta 2004 cuando A. Geim y K. Novoselov consiguieron aislar una capa de este material y medir sus propiedades electrónicas, recibiendo por ello el premio Nobel de Física en 2010. Las propiedades estructurales y electrónicas del grafeno hacen que se prevea un importante papel de este material en el desarrollo de dispositivos optoelectrónicos. Sin embargo, la necesidad un substrato o, al menos, un contacto con un electrodo metálico en este tipo de aplicaciones demanda un conocimiento de las propiedades del grafeno debido a la interacción con el substrato. A pesar de que el crecimiento de láminas de grafito sobre substratos metálicos ha sido motivo de estudio desde hace más de 30 años, las técnicas experimentales utilizadas entonces en el estudio de estas láminas limitaron bastante los estudios que se podía realizar en estas muestras. Por otra parte, desde su invención en los años ¿80, el microscopio de efecto túnel (STM, Scannning Tunneling Microscopy) ha representado una técnica experimental clave en el estudio y la caracterización de nanoestructuras con resolución espacial y energética sin precedentes. Los descendientes del STM que se han ido desarrollando en las últimas décadas, especialmente la implementación de una atmósfera en condiciones de ultra alto vacío (UHV, Ultra High Vacuum) y la posibilidad de trabajar a bajas temperaturas, han permitido logros como la manipulación a escala atómica e incluso inducir de forma controlada cada uno de los pasos de una reacción química entre moléculas individuales. En este contexto de desarrollo experimental y teórico sobre las propiedades y las aplicaciones posibles del grafeno, la tesis que se presenta a continuación aborda el estudio de cómo se ven modificadas a escala subnanométrica las propiedades estructurales y electrónicas de una capa de grafeno crecida sobre metales de transición. Introducción 2 En el capítulo 1 se introducirán brevemente las propiedades del grafeno. En este capítulo se situará también el estudio de las propiedades de este material en el contexto histórico y experimental de los últimos años. Previamente a la discusión de los resultados obtenidos en este trabajo, se describirá en el capítulo 2 el sistema experimental en el cual se ha realizado esta tesis: un microscopio de efecto túnel que funciona en condiciones de ultra alto vacío y a baja temperatura, emplazado en el Laboratorio de Microscopías de Proximidad y Superficie del Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia (IMDEA-Nanociencia). En el capítulo 3 se mostrará el análisis realizado de las estructuras de moiré obtenidas al crecer grafeno por descomposición térmica de hidrocarburos sobre dos metales de transición diferentes: Ru(0001), donde existe una interacción fuerte entre el grafeno y el meta, e Ir(111), con una interacción débil. Finalmente, en los capítulos 4 y 5, se discutirá el estudio realizado mediante espectroscopia de efecto túnel de la estructura electrónica del sistema gr/Ru(0001) en dos regímenes de voltaje diferentes, con valores por debajo y por encima de la función de trabajo del sistema, respectivamente. Combinando los resultados experimentales con cálculos teóricos de Primeros principios se han caracterizdo de las propiedades estructurales y electrónicas, así como la relación entre ambas, en el sistema gr/Ru(0001). Este estudio ha permitido ponderar el papel delsubstrato sobre las propiedades electrónicas del grafeno adsorbido.