Surface chemistry on Graphene : Chemisorption, catalysis and molecular manipulation

Resumen

Esta tesis presenta una disertación sobre la funcionalización química de grafeno epitaxial crecido sobre Ru(0001) (gr/Ru(0001) y su papel como agente catalizador en reacciones sobre superficies. Los experimentos fueron llevados a cabo en un sistema de ultra alto vacío equipado con un microscopio de efecto túnel de baja temperatura. Se ha propuesto una gran cantidad de aplicaciones para el grafeno, un alótropo bidimensional del carbono con unas propiedades estructurales y electrónicas únicas. El desarrollo de estas aplicaciones suele requerir la funcionalización química del grafeno, lo cual es una difícil tarea debido a su baja reactividad. En este trabajo se combinan dos elementos importantes: i) Grafeno crecido en un substrato metálico, Ru(0001), el cual modula espacialmente la reactividad de los átomos de carbono mediante un patrón de moiré. ii) Radicales moleculares, siendo excelentes candidatos para formar enlaces covalentes con los átomos de carbono del grafeno. En este caso se crean radicales cianometil (CH2CN ) usando una presión parcial de moléculas acetonitrilo (CH3CN) que es insertada en el sistema de ultra alto vacío. Tras la exposición de la muestra de gr/Ru(0001) a los radicales moleculares, los grupos CH2CN se enlazan covalentemente a la superficie de grafeno. Usando una temperatura adecuada de la muestra, se consigue funcionalizar covalentemente el grafeno con orden a largo alcance, obteniendo un alto ratio de la reacción y ordenamiento a largo alcance. Aprovechando una capa de grafeno con un entorno químico único, se explora la reacción en superficie entre grupos CH2CN y otra molécula: La 7,7,8,8-Tetraciano-p-quinodimetano (TCNQ). Se demuestra que la superficie de gr/Ru(0001) es esencial para que esta reacción ocurra, debido a su papel como agente catalizador. En particular, se ha encontrado que el grafeno realiza una triple contribución: i) Sujetar los grupos CH2CN mediante quimisorción y adsorber las moléculas TCNQ. ii) Actuar como un buen grupo saliente con respecto a las especies CH2CN. iii) Suministrar la carga necesaria para la reacción. Mediante técnicas de manipulación empleando el STM es posible romper el enlace C-C formado entre las moléculas CH2CN y TCNQ, recuperando las propiedades de ambos reactivos. Este resultado demuestra la reversibilidad de la reacción. La molécula producto, adsorbida sobre la capa de grafeno, es llamada CM-TCNQ y presenta interesantes propiedades que se investigan a través de manipulación a nivel molecular.