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Master's in Nanoscience., 2D materials have attracted signi cant interest due to their unique physical, electronic and optical properties. Among them, some 2D materials present strong electron-hole con nement, extreme bendability, and high transparency. In particular, thin transition metal dichalcogendides (TMDs) represent a nearly ideal class of 2D materials for fundamental research at the limit of single-atom thickness, and have the potential to open up new technological opportunities beyond the reach of existing materials. TMDs single layers exhibit emergent characteristics different than those of their bulk counterparts, many of which show tunable electronic structure that can undergo for example transition from an indirect electronic band gap in crystals to a direct band gap in the monolayer regime. The hybridization of 2D TMDs with other layered materials or even other TMDs to build TMD-based heterostructures is a very effective way to boost their overall properties and thus expand their applications. One of the most appealing advantages offered by heterostructures is the design of new arti cial materials with tailored properties that are not exactly the ones of their original components, but new ones. For instance, the alignment of band structure at the interface of the heterostructure plays a critical role in optimizing the carrier transfer path in photodetectors. Although complex heterostructures have been fabricated via the van der Waals vertical stacking of different 2D materials, the in-situ fabrication of high-quality lateral heterostructures remains a challenge. The aim of this work is to explore the growth of novel TMD lateral heterostructures with Molecular Beam Epitaxy (MBE). We have grown metal-semiconductor and metal-superconductor TMD junctions in ultra-high vacuum conditions and characterized by Re ection high-energy electron diffraction (RHEED) and Atomic Force Microscopy (AFM). We have explored at first the suitability of PtSe2 and MoSe2 as semiconductors for a metal-semiconducting lateral heterojunction with NbSe2 as the metallic component demonstrating the feasibility of MoSe2-NbSe2 heterostructures. Later on, TiSe2-NbSe2 metal-superconductor heterostructures have been explored by Scanning Tunneling Microscopy (STM) and Spectroscopy (STS) at 4.2 K and 400 mK. We have found hexagonal islands composed of of two NbSe2 phases with different atomic structure (H- and T-phase) surrounded by TiSe2 in the same sample with very clear boundaries. Low-temperature STS measurements show that the metal-superconductor character of this system is well-preserved at the heterojunctions demonstrating that proximity effects are not affecting the electronic character of TiSe2., The Materials Physics Center for offering me the CFM scholarship to carry out the master thesis.

[ES]: Esta tesis expone un estudio detallado sobre la síntesis en superficie de nanotiras de grafeno (en inglés 'Graphene Nanoribbons', GNRs) y la posterior caracterización de su estructura electrónica, principalmente empleando como técnica analítica, microscopía y espectroscopía de barrido de efecto túnel de baja temperatura (en inglés 'Low temperature-Scanning Tunnneling Microscopy/Spectrosocopy', LT-STM/STS) en condiciones de ultra alto vacío (en inglés 'Ultra High Vacuum', UHV). Para la obtención de los resultados detallados en esta tesis, se han empleado dos equipos de microscopía independientes, ambos ubicados en San Sebastián (Guipúzcoa). En primer lugar, 'Milano', un microscopio ensamblado a partir de elementos de distintios equipos y ubicado en el centro de investigación cooperativo 'CIC nanoGUNE'. En segundo lugar, 'Apollo', un equipo comercial Sigma-Omicron y situado en el instituto de investigación 'Centro de Física de Materiales' (CFM). Paralelamente al uso de estos microscopios, distintas técnicas de análisis de superficies, en concreto, espectroscopía de fotoemisión de rayos x (en ingles 'X-ray Photoemission Spectroscopy', XPS) y de ángulo resuelto (en inglés 'Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy'), han complementado el estudio de las distintas reacciones de química de superficie que dan pie a la formación de las nanotiras de grafeno, así como el posterior estudio de sus propiedades electrónicas. El trabajo realizado durante esta tesis se enmarca dentro del campo científico conocido como 'nanociencia', definiendose esta como la rama de la ciencia centrada en el estudio de los fenómenos físico-químicos que se suceden en sistemas cuyas propiedades están gobernadas por las dimensiones que las definen, comprendiendose estas entre 1 y 100 nanometros., [EN]: This thesis presents a comprenhensive study on the on-surface synthesis and characterization of the electronic structure of di erent types of graphene nanoribbons (GNRs) formed on coinage metallic surfaces, being gold the most present substrate. Graphene nanoribbons (GNRs) are a new emergent material which is gaining considerable attention within the scientific community due to its wide-range potential applications derived from its exotic physical and chemical properties. Since GNRs derive from graphene, they preserve many of its interesting properties, such as the highest electron conductivity. In adittion, the reduced dimensionality of GNRs provide them with a tunable non-zero electrical band gap, no present in graphene, and required for its implementation into electronic devices. Moreover, and again in contrast with graphene, the presence of edges in GNRs brings the emergence of magnetic edge states with promising applications in spintronics. We employ on-surface chemistry startegies based on the use of aromatic molecular precursors for synthesizing the different GNRs studied here. By thermal annealing, we induce a controlled two-step reaction pathway to form these nanostructures onto different coinage metallic substrates, since their catalytic activity is needed for the product formation. The two chemical reaction accounted involves firstly, the merging of the molecular precursors into commonly linear polymric chains thorugh the well-known and controlled Ullmann coupling. In a second stage, higher temperatures induce the ciclodehydrogenation of the former polymers, giving rise to the formation of planar graphene nanoribbons., This thesis has been carried out at Donostia International Physics Center (DIPC), Centro de Física de Materiales - Materials Physics Center (CFM-MPC), and CIC nanoGUNE: nanoscience cooperative research center.

Thesis submitted to the University of the Basque Country for the degree of Doctor in Physics., El desarrollo de este proyecto de tesis está basado en el estudio de las propiedades ópticas de nano-estructuras de interés físico por medio de teorías ab initio. Las teorías ab initio nos permiten estudiar una amplia gama de sistemas cambiando solamente unos parámetros que dependen del sistema sin tener que reconsiderar la metodología de trabajo de la teoría. En particular, se ha usado la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) para obtener información sobre la estructura electrónica de los materiales estudiados. Mientras que la Teoría del Funcional de la Densidad Tiempo-Dependiente (TDDFT) nos ha permitido estudiar en detalle como los electrones de dichos materiales se comportan cuando son sometidos a un campo eléctrico. Las dos teorías ab initio, DFT y TDDFT han crecido en popularidad debido a la mayor potencia de los ordenadores y su favorable complejidad computacional, es decir, a que el coste computacional aumenta siguiendo potencias de exponentes relativamente bajos del número de átomo en el sistema. En este proyecto hemos empleado el método y código DFT SIESTA (Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms). SIESTA es un método y código DFT de licencia GPL que se empezó a desarrollar en los años noventa y que todavía tiene una comunidad de desarrolladores que siguen ampliando y mejorando el código. Con SIESTA hemos calculado las propiedades electrónicas de estado del estado de base de los sistemas. Estas propiedades incluyen las curvas de dispersión energía-momento, las energías de los niveles electrónicos, la energía total, la densidad electrónica, la geometría de equilibrio, etc. La propiedades ópticas que han sido el objeto principal de esta investigación han sido calculadas y estudiadas por medio del código MBPT-LCAO (Many Body Perturbation Theory with Linear Combination Atomic Orbitals), un código que todavía no se distribuye al público en general y que está en desarrollo, siendo su principal desarrollador el Dr. Peter Koval. A pesar de que el código MBPT-LCAO está diseñado para trabajar en conjunto con SIESTA, es decir que los ficheros de salida de un cálculo DFT de SIESTA son leídos por MBPT-LCAO como ficheros de entrada para el cálculo TDDFT, es posible usarlo por separado. El código, por medio de la teoría de pertubaciones de muchos-cuerpos y TDDFT, permite calcular el gap de energía, las energías de excitaciones, la densidad inducida, el potencial eléctrico inducido, la corriente inducida, etc. Específicamente, en este trabajo me he centrado en el cálculo y estudio de la polarizabilidad, de la sección óptica, de la densidad electrónica inducida y de la corriente inducida, para sistemas finitos y moléculas. En esta tesis el código MBPT-LCAO ha sido utilizado para calcular sistemas que contienen más de mil átomos., I have to thank the Centro de Fsica de Materiales (CFM-MPC) and the Donostia International Physics Center (DIPC) for the financial support they provided me.

Thesis developed by Mohamed Ameen Poyli for the degree of doctor of philosophy in physics., Los avances tecnológicos ocurridos a partir del siglo XVI han permitido explorar tanto el mundo microscópico como el macroscópico, gracias al desarrollo de dispositivos basados en lentes y espejos, desconocidos hasta entonces. El telescopio, inventado por Hans Lippershey y utilizado por Galileo Galilei y sus contemporáneos para realizar sus observaciones astronómicas, ha permitido revelar los misterios del cosmos. En la escala opuesta, el uso del microscopio por Zacharias Janssen, Robert Hooke y Antonie van Leeuwenhoek inauguró el estudio del mundo de los microorganismos y de lo diminuto. En el siglo XVII se produjo un considerable avance en el estudio la naturaleza de la luz, con dos teorías que años más tarde se revelarían como complementarias: la teoría corpuscular de Isaac Newton y la teor´ıa ondulatoria de Christiaan Huygens. Posteriormente, James Clerk Maxwell postuló la teoría electromagnética, mediante la cual estableció la naturaleza ondulatoria de la luz compuesta de oscilaciones de campos eléctricos y magnéticos y sentó las bases para la posterior aparición de la óptica física y de la fotónica. Unas décadas más tarde, el desarrollo de la óptica cuántica y de la dualidad onda-partícula de la luz permitieron una comprensión más profunda de la naturaleza de la luz. Los microscopios modernos, apoyados por potentes ordenadores y tecnologías de alta precisión, permiten observar microorganismos y otros objetos muy pequeños a escala nanométrica, así como también estudiar procesos ultrarápidos en volúmenes reducidos. Sin embargo, el efecto de la difracción impone a menudo una barrera a nuestra capacidad de estudiar el mundo microscópico. Debido a su naturaleza ondulatoria, la óptica convencional no permite enfocar la luz por debajo de un área menor que aproximadamente la mitad su longitud de onda, es decir, en dimensiones inferiores a unos pocos cientos de nanómetros. Por tanto, objetos menores de unos 200 nanómetros no pueden ser distinguidos mediante microscopios ópticos convencionales. Las partículas dieléctricas y metálicas de tamaño reducido exhiben modos electromagnéticos bien definidos, como se pone de manifiesto cuando son iluminadas por radiación electromagnética. Una de las principales características de estos modos es la presencia de ondas evanescentes que concentran la energía incidente cerca de la partícula, en una región muy pequeña de dimensiones comparables o incluso mucho más pequeñas que la longitud de onda incidente. Uno de los principales motores que han motivado el avance de la nanofotónica, una rama de la ciencia incluida dentro de la nanociencia y la nanotecnología, ha sido controlar y utilizar la luz más allá del límite de difracción. Los esfuerzos iniciales en el campo de la nanofotónica se basaron en gran medida en tres tipos de sistemas: resonadores dieléctricos, puntos cuánticos y nanopartículas metálicas. Los resonadores basados en materiales dieléctricos son estructuras de tamaño normalmente micrométrico que exhiben resonancias de tipo Fabry-Perot o similares, que permiten alcanzar factores de calidad extremadamente altos y un considerable aumento del campo eléctrico. Los puntos cuánticos son nanoestructuras semiconductoras cristalinas con niveles energéticos cuantizados debido al confinamiento de los pares electrón-hueco., Las transiciones entre estos niveles energéticos corresponden a menudo a frecuencias ópticas, y se manifiestan en forma de líneas espectrales muy estrechas de absorción y emisión, que pueden ser sintonizadas si se cambian las propiedades estructurales o el tamaño del sistema. Los metales nobles tales como la plata y el oro presentan gran interés en aplicaciones plasmónicas y nanofotónicas porque exhiben claras resonancias electromagnéticas en la región visible e infrarroja del espectro. Las resonancias en estructuras métalicas permiten localizar los campos electromagnéticos en regiones muy inferiores a lo permitido por el límite de difracción. En la actualidad se buscan materiales alternativos a los anteriormente apuntados, que presenten propiedades ópticas novedosas y útiles para mejorar el control sobre los campos eléctricos y magnéticos, en regiones de dimensiones nanométricas y en un espectro lo más amplio posible. Dentro de este esfuerzo se encuadran diversos trabajos que han comenzado a investigar metales plasmónicos no convencionales, partículas pequeñas de materiales dieléctricos, cristales fonónicos y sistemas electrónicos bidimensiones, entre otros. De manera más específica, algunos metales plásmonicos no convencionales tales como el paladio, el platino y el cobalto pueden presentar pérdidas de energía superiores a las del oro o la plata pero, como contrapartida, pueden resultar útiles en aplicaciones tales como catálisis, sensórica de gases o magneto-óptica, por ejemplo. Por otra parte, las partículas dieléctricas de tamaño submicrométrico permiten excitar una fuerte respuesta eléctrica y magnética en el rango espectral del infrarrojo cercano. Los materiales polares como el carburo de silicio también presentan resonancias ópticas claras en frecuencias que corresponden al infrarrojo medio, debidas a las vibraciones fonónicas de la estructura cristalina. Finalmente, el grafeno, los aislantes topológicos y otros materiales constituidos por gases electrónicos bidimensionales presentan propiedades ópticas muy peculiares que se extienden desde frecuencias de la luz visible hasta la radiación de terahertz, y permiten confinar la luz en volúmenes de dimensiones muy inferiores a la longitud de onda. Estos sistemas con pocas pérdidas pueden ser sintonizados mediante una fuente de tensión externa. Esta tesis describe los estudios teóricos sobre las propiedades ópticas de diversas estructuras y nanomateriales que permiten controlar la luz en un amplio rango de frecuencias., I acknowledge the Donostia International Physics Center (DIPC), the Material Physics Center (MPC), joint center of the Spanish Council for Scientific Research (CSIC) and the University of the Basque Country (UPV/EHU) for financial support.