On-surface synthesis of nitrogen-doped graphene-based nanoarchitectures0D nanographenes, 1D nanoribbons and 2D nanoporous graphene

Resumen

El grafeno monocapa ha demostrado poseer destacadas propiedades físicas, que lo convierten en uno de los nanomateriales estrella del presente y del futuro. Sin embargo, algunas propiedades ausentes en el grafeno limitan sus aplicaciones, como la falta de banda prohibida, relevante para la electrónica y la óptica; la reactividad selectiva, crucial para la detección, o la permeabilidad, crítica para el tamizado. La modificación de su estructura parece convertirse en la mejor y más sencilla estrategia para hacerlo apto para la implementación en nanodispositivos. Entre las estrategias de ingeniería estructural, los enfoques más sencillos implican tanto la reducción del tamaño como el dopaje, que se han logrado durante años con el método de arriba hacia abajo (top-down). No obstante, con la creciente demanda de dispositivos más pequeños y eficientes, la precisión atómica de los nuevos materiales es imperativa, algo que no es factible con la técnica mencionada. Se ha demostrado que el protocolo de abajo hacia arriba (bottom-up) es el método más adecuado para conseguir las funcionalidades deseadas de la nanoestructura con precisión atómica. Mediante el uso de estrategias ascendentes, las nanoestructuras de grafeno se pueden sintetizar en solución o en una superficie catalítica adecuada. Si bien la síntesis en solución ha otorgado una gran variabilidad de diferentes nanoestructuras, es un desafío tener una solución monodispersa de grandes nanoestructuras aromáticas y caracterizarlas con la misma precisión atómica con la que se sintetizan. La síntesis asistida por superficie es una alternativa para superar estos problemas. Además, con el desarrollo del microscopio de efecto túnel, se hizo posible el acceso a la observación y manipulación de átomos individuales, moléculas o nanoestructuras más grandes, lo que permitió el estudio de sus propiedades locales. En este sentido, ha habido trabajos notables relacionados con la síntesis en superficie de nanografenos 0D, nanocintas de grafeno 1D y grafenos nanoporosos 2D. En esta tesis abordamos el crecimiento de los tres, centrándonos en la introducción de dopantes y la síntesis de componentes híbridos. La primera parte de esta tesis comienza con la descripción de la ruta sintética para hacer crecer el grafeno nanoporoso dopado intrínsecamente con átomos de nitrógeno, enfrentando los desafíos relacionados con la inestabilidad térmica de los precursores y pasos intermedios. En la segunda parte de la tesis se superan los retos antes mencionados proponiendo una estrategia novedosa que suponemos extensible a diferentes tipos de nanoarquitecturas híbridas. En particular, nuestro grafeno nanoporoso dopado con nitrógeno, fabricado mediante la intercalación de dos tipos de nanocintas de grafeno, también puede reconocerse como una superred de escala nanométrica de heterouniones de tipo II. En la tercera parte, estudiamos una ruta impulsada cinéticamente para hacer crecer cadenas de nanografeno dopadas con nitrógeno 0D, que presentan bordes en zig-zag. También probamos el concepto de ir más allá de la síntesis de nanocintas 1D, induciendo más transformaciones para crear nuevas estructuras complejas. Demostramos esto con dos ejemplos, nanocintas de grafeno con bandas de superredes inducidas topológicamente y nanocintas de grafeno con nanoporos fusionados, en particular grupos anuleno. En general, los resultados de esta tesis brindan una visión profunda y un análisis sistemático de la síntesis en superficie de nanoarquitecturas de grafeno, en particular nanografenos 0D, nanocintas 1D y grafeno nanoporoso 2D, que se han dopado intrínsecamente con heteroátomos de nitrógeno. Probamos las diferentes vías de reacción que se originan a partir del mismo precursor molecular o muy similar dependiendo de las condiciones de crecimiento. En especial, proporcionamos un hito muy importante en la síntesis de heteroestructuras de superredes laterales 2D que presentan discontinuidades pronunciadas hasta el límite del enlace carbono-carbono único, y que pueden extenderse a otras nanoarquitecturas.