Probing and manipulating graphene physics at the atomic level

En los ultimos 12 anos, los materiales 2D han experimentado un gran boom dentro del campo de la fisica de la materia condensada. Todo esto ha sido posible gracias a la obtencion en 2004 de la primera lamina de grafeno por Andre Geim y Konstantin Novoselov. Este nuevo material, consistente en una lamina de grafito de un atomo de espesor, habia sido estudiado desde un punto de vista meramente teorico en los anos 40 prometiendo propiedades muy interesantes. Con su aparicion en escena, comenzo la fiebre de los materiales 2D. Aunque su numero y variedad de propiedades no deja de aumentar, la presente tesis esta centrada exclusivamente en el estudio de sistemas tipo grafeno. Esta tesis es de caracter puramente experimental, si bien a lo largo de su desarrollo se apoya en calculos teoricos para obtener una mejor comprension de la fisica involucrada. La tecnica experimental usada a lo largo de esta tesis ha sido la microscopia de efecto tunel (STM). Esta tecnica, desarrollada en 1981 por Gerd Binning y Heinrich Rohrer y que fue premiada con el premio nobel en 1986, marco el inicio de las llamadas microscopias de sonda de barrido (SPM), que en los ultimos 30-35 anos se han convertido en herramienta indispensable para la fisica de superficies y caracterizacion de nuevos materiales. El STM, como veremos a lo largo del manuscrito, permite obtener imagenes de superficies con una alta resolucion espacial. De igual forma, el STM es sensible a la densidad local de estados de la muestra y si se combina con baja temperatura (~5K en nuestro caso), proporciona tambien una alta resolucion en energias. Como se muestra a lo largo del capitulo 1, todas estas capacidades del STM han contribuido al entendimiento de la fisica del grafeno a nivel atomico. Desde su descubrimiento, el grado de entendimiento de las propiedades del grafeno y como modificarlas de forma controlada no ha dejado de aumentar. Sin embargo, todavia quedan huecos por rellenar para poder conocer realmente los limites de este extraordinario material. El punto de partida de esta tesis era estudiar la posibilidad de inducir y controlar momentos magneticos en grafeno. Este es un campo todavia en desarrollo dentro de la fisica del grafeno y tiene mucha importancia, ya que la implementacion del magnetismo en grafeno podria tener una gran repercusion en campos como la spintronica. Al comienzo de mi doctorado, el numero de trabajos sobre este tema era escaso y poco concluyente. Medidas magneticas en grafito irradiado o tras adsorber atomos de ciertos elementos apuntaban en la buena direccion, pero el origen de la senal magnetica no era claro. Los experimentos sobre adsorcion de atomos de hidrogeno en grafeno presentados en esta tesis prueban, de forma irrefutable, que un atomo individual de hidrogeno induce un momento magnetico en la capa de grafeno, ofreciendo asi la posibilidad de obtener grafeno magnetico. En esta tesis tambien se han estudiado los mecanismos involucrados en la adsorcion de atomos de hidrogeno en grafeno con el fin de alcanzar una mejor comprension de los limites de la hidrogenacion como forma de producir grafeno magnetico. A su vez, es bien sobra sabido que al poner en contacto una capa de grafeno con diferentes substratos, las propiedades del grafeno se ven alteradas. Alcanzar un entendimiento completo de como interacciona el grafeno con cada substrato especifico, proporcionaria la posibilidad de disenar las propiedades de nuestras capas de grafeno para nuestro propio beneficio. Nuestros experimentos estudiando la transparencia selectiva del grafeno a los electrones tunel, muestran que es posible acceder a las propiedades electronicas del grafeno y el substrato en la mima region y al mismo tiempo. Gracias a nuestra capacidad para elegir que elemento del sistema queremos estudiar (grafeno o substrato), hemos sido capaces de caracterizar de forma completa las propiedades electronicas del sistema Gr/Cu(111). Esto tambien tiene una gran importancia desde el punto de vista teorico, ya que puede ayudar a comprender y mejorar los funcionales usados para la descripcion de la interaccion carbono/metal, y especialmente los que incluyen interacciones de tipo van der Waals. Dichas interacciones juegan un papel muy importante en la correcta descripcion de sistemas grafeno/metal debilmente interactuantes. Finalmente, nuestro estudio de la interaccion de defectos puntuales en capas de grafeno muestra que esta transparencia ajustable es clave para lograr un entendimiento detallado de las interacciones locales y en particular en las cercanias de particulas adsorbidas o intercaladas.