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

Resum

El grafè monocapa ha demostrat posseir destacades propietats físiques, que el converteixen en un dels nanomaterials estrella del present i del futur. No obstant això, algunes propietats absents al grafè limiten les seves aplicacions, com la manca de banda prohibida, rellevant per a l’electrònica i l’òptica; la reactivitat selectiva, crucial per a la detecció, o la permeabilitat, crítica per al tamisat. La modificació de la seva estructura sembla convertir-se en la millor i més senzilla estratègia per fer-ho apte per a la implementació en nanodispositius. Entre les estratègies d’enginyeria estructural, els enfocaments més senzills impliquen tant la reducció de la mida com el dopatge, que s’han aconseguit durant anys amb el mètode de dalt a baix (top-down). No obstant això, amb la demanda creixent de dispositius més petits i eficients, la precisió atòmica dels nous materials és imperativa, cosa que no és factible amb la tècnica esmentada. S’ha demostrat que el protocol de baix a dalt (bottom-up) és el mètode més adequat per aconseguir les funcionalitats desitjades de la nanoestructura amb precisió atòmica. Mitjançant l’ús d’estratègies ascendents, les nanoestructures de grafè es poden sintetitzar en solució o en una superfície catalítica adequada. Si bé la síntesi en solució ha atorgat una gran variabilitat de diferents nanoestructures, és un desafiament tenir una solució monodispersa de grans nanoestructures aromàtiques i caracteritzar-les amb la mateixa precisió atòmica amb què se sintetitzen. La síntesi assistida per superfície és una alternativa per superar aquests problemes. A més, amb el desenvolupament del microscopi d’efecte túnel, es va fer possible l’accés a l’observació i la manipulació d’àtoms individuals, molècules o nanoestructures més grans, fet que va permetre l’estudi de les seves propietats locals. En aquest sentit, hi ha hagut treballs notables relacionats amb la síntesi en superfície de nanografens 0D, nanocintes de grafè 1D i grafens nanoporosos 2D. En aquesta tesi abordem el creixement de tots tres, centrant-nos en la introducció de dopants i la síntesi de components híbrids. La primera part d’aquesta tesi comença amb la descripció de la ruta sintètica per fer créixer el grafè nanoporós dopat intrínsecament amb àtoms de nitrogen, enfrontant els desafiaments relacionats amb la inestabilitat tèrmica dels precursors i passos intermedis. A la segona part de la tesi se superen els reptes abans esmentats proposant una estratègia nova que suposem extensible a diferents tipus de nanoarquitectures híbrides. En particular, el nostre grafè nanoporós dopat amb nitrogen, fabricat mitjançant la intercalació de dos tipus de nanocintes de grafè, també es pot reconèixer com una superxarxa d’escala nanomètrica d’heterounions de tipus II. A la tercera part, estudiem una ruta impulsada cinèticament per fer créixer cadenes de nanografè dopades amb nitrogen 0D, que presenten vores en ziga-zaga. També provem el concepte d’anar més enllà de la síntesi de nanocintes 1D, induint més transformacions per crear noves estructures complexes. Demostrem això amb dos exemples, nanocintes de grafè amb bandes de superxarxes induïdes topològicament i nanocintes de grafè amb nanoporus fusionats, en particular grups anul·lè. En general, els resultats d’aquesta tesi brinden una visió profunda i una anàlisi sistemàtica de la síntesi en superfície de nanoarquitectures de grafè, en particular nanografens 0D, nanocintes 1D i grafè nanoporós 2D, que s’han dopat intrínsecament amb heteroàtoms de nitrogen. Provem les diferents vies de reacció que s’originen a partir del mateix precursor molecular o molt semblant depenent de les condicions de creixement. En especial, proporcionem una fita molt important en la síntesi d’heteroestructures de superxarxes laterals 2D que presenten discontinuïtats pronunciades fins al límit de l’enllaç carboni-carboni únic, i que es poden estendre a altres nanoarquitectures.