Intercalation of sulfur in epitaxial graphene on ruthenium(0001) studied by means of scanning tunneling microscopy and spectroscopy

Resumen

En esta tesis se estudia la interacción del sulfuro de hidrógeno (H2S) con el grafeno crecido epitaxialmente sobre el plano basal del rutenio (Ru(0001)). El crecimiento de las muestras y su caracterización se realizó mediante microscopía y espectroscopia de efecto túnel (STM/STS) en ultra alto vacío (UHV). Parte de la caracterización se realizó a baja temperatura y se utilizaron de manera complementaria otras técnicas de caracterización en UHV. El grafeno epitaxial sobre Ru(0001) (grafeno/Ru(0001)) se crece mediante descomposición catalítica de etileno en condiciones de UHV. El grafeno/Ru(0001) muestra una interacción intensa entre el grafeno y el sustrato que resulta en una modulación topográfica y electrónica en forma de patrón de moiré debido a la pequeña diferencia en el parámetro de red de ambos. El grafeno así crecido está fuertemente anclado al Ru(00001) y altamente dopado (tipo-n), perdiendo su carácter semimetálico y su característica relación de dispersión lineal. Las imágenes de STM demuestran que la exposición de grafeno/Ru(0001) a H2S resulta en la intercalación de azufre entre el grafeno y el sustrato. Los experimentos sugieren que se produce mediante la formación de defectos puntuales en la superficie del grafeno. Los átomos de azufre intercalados se estructuran formando diferentes reconstrucciones que son descritas y analizadas. Para complementar la descripción geométrica de las estructuras que forma el azufre intercalado, se han realizado experimentos de adsorción de azufre en Ru(0001) sin la capa de grafeno epitaxial. Las diferentes reconstrucciones de la capa de azufre intercalado en el sistema estudiado alteran las propiedades del grafeno que hay sobre ella. La densidad superficial de átomos de azufre y sus características geométricas reducen la interacción del grafeno con el Ru(0001) en diferente medida, como evidencia la reducción en la corrugación del patrón de moiré en los experimentos de STM. Para analizar en más detalle la influencia de las diferentes configuraciones del azufre sobre las propiedades del sistema se realizaron experimentos de STS a baja temperatura que muestran la aparición de una serie de resonancias equiespaciadas en torno al nivel de Fermi tras la exposición a H2S. El desplazamiento de estos picos a mayores energías con el aumento de la densidad de azufre sugiere la reducción del dopaje del grafeno intercalado con respecto al grafeno/Ru(0001). Su origen no ha podido ser establecido, pero se proponen posibles explicaciones para su aparición. Por último, se llevaron a cabo experimentos de manipulación de la superficie de grafeno/S/Ru(0001) utilizando la punta del STM. Cuando la densidad de la capa intercalada permite la movilidad del azufre se ha conseguido crear patrones geométricos desplazando los átomos intercalados de manera que se recupera la interacción entre el grafeno y el Ru(0001) en zonas concretas. Las estructuras así creadas tienen tamaños nanométricos y son estables a temperatura ambiente.