Nanostructurering van Au/Ru(0001) dunne films: hoogtemodulatie en superstructuurvorming

Samenvatting

We presenteren een scanning tunneling microscopie (STM) onderzoek van Au dunne films op Ru(0001) met nominale diktes van 5 en 9 monologen (ML), gedeponeerd bij 300 K en vervolgens geanneald bij 1050 K. De 9 ML film vertoont een nieuwe lateraal periodieke superstructuur: een subtiele golving in hoogte van tot 0,03 ± 0,01 nm in amplitude en een laterale periode van 4,6 ± 0,4 nm. De superstructuur vertoont lange-afstands wanorde.

Achtergrond

Het Au(111) oppervlak van bulk kristallen is bekend om zijn 22 × √3 reconstructie, goed beschreven als een haringbotpatroon dat voortkomt uit elastische spanningsdomeinen. Oppervlaktespanning regeert deze reconstructie, en de wijziging ervan door trappen, defecten, of dunne-film-spanning is uitgebreid gedocumenteerd. In Au/Ru(0001) systemen introduceert de roostermismatch (0,271 nm voor Ru vs. 0,288 nm voor Au) additionele interfaciale spanning die de reconstructie kan veranderen. Eerdere studies op ultradunne Au-films (≤ 3 ML) onthulden een reuzematige 100 nm haringbot voor 1 ML en een driehoekige superstructuur voor 2 ML gedeponeerd bij ~420 K en flash-geanneald bij 790 K. Sub-monolaag groei bij kamertemperatuur leidt tot fractale of dendritische eilanden. Echter, het gedrag van dunne Au-films op Ru(0001) is nog niet verkend. Ons doel is deze kloof te vullen door 5 ML en 9 ML Au-films te bestuderen gedeponeerd bij KT en geanneald bij 1050 K, een protocol dat in ons eerdere werk atoomvlakke Au-lagen opleverde.

Methoden

Alle experimenten werden uitgevoerd in een aangepaste ultra-hoog-vacuüm (UHV) kamer (basisdruk < 10⁻¹⁰ mbar). Een einkristal Ru(0001) (5 mm × 5 mm × 5 mm, Mateck) werd gereinigd door 1,5 keV Ar⁺ sputteren gevolgd door 1100 K annealen. Residueel koolstof werd verwijderd door 5 × 10⁻⁷ mbar O₂ blootstelling bij 1100 K. Goud (99,99 %, Sigma-Aldrich) werd verdampt van een 0,25 mm draad door een elektronenbundel-verdamper (Omicron) bij 1 ML/min, geverifieerd door Auger-spectroscopie en gecalibreerd tegen de Au (NVV) / Ru (MNN) piekverhouding. Na depositie werden de monsters geanneald bij 1050 K gedurende 5 min. STM-beeldvorming werd uitgevoerd met een VT-STM (Omicron) in constant-stroommodus bij kamertemperatuur, met PtIr (80/20 %) puntjes voorbereid door mechanisch snijden en geconditioneerd met spanning/stroom-pulsen tot 10 V/300 nA. Het (2 × 2)‑O/Ru(0001) oppervlak werd gebruikt om de STM laterale schaal te kalibreren. Data werden verwerkt met Gwyddion (gwyddion.net).

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de evolutie van het Ru(0001) oppervlak na Au-depositie en annealing. In de schone toestand (Fig. 1a), domineren atoomvlakke terraces gescheiden door enkele atooms trappen, met occasionele uitstulpingen die overeenkomen met begraven Ar-bellen. Na depositie van 5 ML (Fig. 1b), wordt het oppervlak ruw door Volmer-Weber eilandgroei; verschillende atoomslagen Au coëxisteren binnen het zichtveld, en de begraven bellen zijn nog discerneerbaar. Een 9 ML film (Fig. 1c) vormt uitgesproken driedimensionale eilanden (~10 nm laterale grootte), wat de ruwheid dramatisch verhoogt. Annealing bij 1050 K herstelt atoomvlakke terraces (Fig. 2a,b). De 5 ML film vertoont willekeurige golvingen (< 0,05 nm amplitude) zonder lange-afstandsorde, terwijl de 9 ML film een zeer regelmatig golvingsnetwerk met driehoekige motieven toont.

Figuur 2c vergelijkt de geannealde 9 ML film met een einkristal Au(111) oppervlak. Het Au(111) vertoont de bekende 22 × √3 haringbot met vergelijkbare hoogtemodulatie (~0,05 nm). In tegenstelling daarmee, missen de golvingen van de 9 ML film de lange-afstandsperiodiciteit die op bulk Au wordt gezien. Om deze structuur te onderzoeken, beeldden we een groot terrace (Fig. 3a) en voerden een snelle Fourier-transformatie (FFT) uit (Fig. 3b). De eerste-orde FFT-punten corresponderen met een hexagonale rooster met een periode van ~4,6 nm (bereik 4,44–4,76 nm). Een kleiner gebied (Fig. 3d) onthult een superstructuur eenheidscel van ~5 nm, met golvingsamplitudes van ~0,03 nm en een lichte hoekmismatch tussen de superstructuurvectoren en het onderliggende atooms rooster, wat een gespannen bovenste laag suggereert.

Deze waarnemingen wijzen erop dat interfaciale spanning en annealtemperatuur de oppervlakte-reconstructie dicteren. De 5 ML film toont wanorde, de 9 ML film een korte-afstand geordende 4,6 nm superstructuur, terwijl het bulk Au(111) de klassieke haringbot vertoont. Het precieze atoomsmodel blijft onduidelijk omdat de roosterconstanten van de eerste twee lagen waarschijnlijk afwijken van bulk-waarden; legering aan de interface kan ook een rol spelen. Verdere diffractiestudies en gecontroleerde STM-metingen zijn nodig om deze onduidelijkheden op te lossen.

Potentiële toepassingen van de 4,6 nm superstructuur spiegelen die van de Au(111) haringbot: als nanotools voor regelmatige moleculaire arrays met een andere laterale periodiciteit en symmetrie, wat het bereik van oppervlakte-getemplateerde nanofabricage kan verbreden.

Conclusies

Ons STM-onderzoek onthult dat 5 ML Au op Ru(0001) willekeurige golvingen produceert, terwijl 9 ML een korte-afstand geordende hexagonale/schuine superstructuur oplevert met een gemiddelde in-plan periode van 4,6 ± 0,4 nm. Deze golving is analoog aan de Au(111) haringbot, maar ontstaat uit een afwijkende spanningstoestand in de dunne film. Het bepalen van de exacte atoomsgeometrie zal diffractie-experimenten en ab initio modellering vereisen.

Afkortingen

ML:

Monolaag

KT:

Kamertemperatuur

STM:

Scanning tunneling microscopie

UHV:

Ultra-hoog-vacuüm