On-surface synthesis of nitrogen-doped graphene-based nanoarchitectures: 0D nanographenes, 1D nanoribbons and 2D nanoporous graphene

Abstract

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.

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.

Monolayer graphene has shown to possess distinguished physical properties, which make it one of the starring nanomaterials of the present and of the future. However, some missing properties in graphene limit its applications, such as the lack of band gap, relevant for electronics and optics; the selective reactivity, crucial for sensing, or the permeability, critical for sieving. The modification of its structure has seemed to become the best and most simple strategy to make it suitable for the implementation in nanodevices. Among the structural engineering strategies, the most straightforward approaches imply both scaling down and doping, which have been achieved for years with the top-down method. Nonetheless, with the incoming demand of smaller and more efficient devices, the atomic precision of the novel materials is imperative, something not feasible with the aforementioned technique. It has been demonstrated that the bottom-up protocol is the most appropriate method to achieve the desired functionalities of the nanostructure with atomic precision. By using bottom-up strategies, graphene nanostructures can be synthesized either in solution or on a suitable catalytic surface. Even though the synthesis in solution has bestowed a huge variability of different nanostructures, it makes challenging having monodisperse solution of large aromatic nanostructures and characterize them with the same atomic precision that they are synthesize. The surface-assisted synthesis is an alternative to overcome this issues. Furthermore, with the development of the Scanning Tunneling Microscope, the access to the observation and manipulation of single atoms, molecules or bigger nanostructures became possible, enabling the study of their local properties. In this regard, there have been remarkable works related to the on-surface synthesis of 0D nanographenes, 1D graphene nanoribbons, and 2D nanoporous graphenes. In this thesis dissertation, we address the growth of the three of them, focusing on the introduction of dopants and synthesis of hybrid components. In particular, we put emphasis in the synthesis of 2D nanoporous structures, which has been challenging due to the irreversibility of the reactions on the surface, impeding its extension in the long range order. The first part of this thesis dissertation starts by the description of the synthetic route to grow the material, facing the challenges related to the thermal instability of the precursors and intermediate steps. In the second part of the thesis the aforementioned challenges are overcome by proposing a novel strategy that we presume to be extendable to different kinds of hybrid nanoarchitectures. In particular, our N-doped nanoporous graphene, made by the intercalation of two types of graphene nanoribbons, can also be recognized as a nanometer scale superlattice of type-II heterojunctions. In the third part of this thesis dissertation we study a kinetically driven route to grow 0D N-doped nanographene chains, which feature zig-zag edges. We also test the concept of going beyond the synthesis of GNRs, by inducing further interribbon transformations to create new complex structures. We demonstrate this with two examples, AGNRs with topologically-induced superlattice bands, and AGNRs with fused nanopores, in particular annulene groups. Overall, the results of this thesis provide a deep insight and systematic analysis into the on-surface synthesis of graphene nanoarchitectures, in particular 0D nannographenes, 1D graphene nanoribbons, and 2D nanoporous graphene, which have been intrinsically doped with nitrogen heteroatoms. We proved the different reaction pathways originated from the same or very similar molecular precusor depending on the growth conditions. Specially, we provide a very important landmark in the synthesis of 2D lateral superlattice heterostructures that feature sharp discontinuities down to the single carbon-carbon bond limit, and which can be extended to other nanoarchitectures.