Наноструктурирование тонких пленок Au/Ru(0001): модуляция высоты и образование суперструктур

Аннотация

Мы представляем исследование методом сканирующей туннельной микроскопии (STM) тонких пленок Au на Ru(0001) с номинальной толщиной 5 и 9 монослоев (ML), осажденных при 300 K и последующе отожженных при 1050 K. Пленка 9 ML демонстрирует новую латерально-периодическую суперструктуру: тонкое пульсирование высоты амплитудой до 0,03 ± 0,01 нм и латеральный период 4,6 ± 0,4 нм. Суперструктура демонстрирует дальний беспорядок.

Введение

Поверхность Au(111) объемных кристаллов известна своей 22 × √3 реконструкцией, хорошо описываемой как «черепаховый» узор, возникающий из эластичных деформированных доменов. Поверхностное напряжение управляет этой реконструкцией, и ее модификация ступенями, дефектами или деформацией тонких пленок изучена обширно. В системах Au/Ru(0001) несоответствие решеток (0,271 нм для Ru против 0,288 нм для Au) вводит дополнительное интерфациальное напряжение, способное изменять реконструкцию. Ранние работы по ультратонким Au пленкам (≤ 3 ML) выявили гигантскую 100 нм «черепаху» для 1 ML и треугольную суперструктуру для 2 ML, осажденных при ~420 K и вспышево отожженных при 790 K. Суб-монослойный рост при комнатной температуре приводит к фрактальным или дендритным островам. Однако поведение более толстых Au пленок на Ru(0001) не изучалось. Наша цель — заполнить этот пробел, изучая 5 ML и 9 ML Au пленки, осажденные при комнатной температуре и отожженные при 1050 K, протокол, давший атомно-гладкие Au слои в наших ранних работах.

Методы

Все эксперименты проводились в кастомной ультра-высоковакуумной (UHV) камере (базовое давление < 10⁻¹⁰ мбар). Одноокристаллический Ru(0001) (5 мм × 5 мм × 5 мм, Mateck) очищали 1,5 кэВ Ar⁺ спуттерингом с последующим отжигом при 1100 K. Остаточный углерод удаляли воздействием 5×10⁻⁷ мбар O₂ при 1100 K. Золото (99,99 %, Sigma-Aldrich) испаряли с проволоки 0,25 мм электронно-лучевым испарителем (Omicron) со скоростью 1 ML/мин, проверяя Авгеровской спектроскопией и калибруя по отношению пиков Au (NVV) / Ru (MNN). После осаждения образцы отжигали при 1050 K в течение 5 мин. STM измерения проводили на VT-STM (Omicron) в режиме постоянного тока при комнатной температуре, используя PtIr (80/20 %) кончики, приготовленные механическим срезом и кондиционированные импульсами напряжения/тока до 10 В/300 нА. Поверхность (2 × 2)-O/Ru(0001) использовалась для калибровки латерального масштаба STM. Данные обрабатывали в Gwyddion (gwyddion.net).

Результаты и обсуждение

Рис. 1 показывает эволюцию поверхности Ru(0001) при осаждении Au и отжиге. В чистом состоянии (рис. 1a) преобладают атомно-гладкие террасы, разделенные одиночными атомными ступенями, с редкими выступами, соответствующими зарытым Ar пузырям. После осаждения 5 ML (рис. 1b) поверхность становится шершавой из-за роста островков по Вольмеру-Веберу; несколько атомных слоев Au сосуществуют в поле зрения, зарытые пузыри все еще различимы. Пленка 9 ML (рис. 1c) формирует выраженные трехмерные острова (~10 нм латеральный размер), драматически увеличивая шероховатость. Отжиг при 1050 K восстанавливает атомно-гладкие террасы (рис. 2a,b). Пленка 5 ML демонстрирует случайные пульсации (< 0,05 нм амплитуда) без дальнего порядка, тогда как 9 ML пленка показывает высокорегулярную пульсательную сеть с треугольными мотивами.

Рис. 2c сравнивает отожженную 9 ML пленку с одноокристаллической поверхностью Au(111). Au(111) демонстрирует знакомую 22 × √3 «черепаху» с сопоставимой модуляцией высоты (~0,05 нм). В отличие от этого, пульсации 9 ML пленки лишены дальнего периодического порядка, наблюдаемого в объемном Au. Для зондирования этой структуры мы образовали большую террасу (рис. 3a) и выполнили быстрое преобразование Фурье (FFT) (рис. 3b). Первопорядковые FFT рефлексы соответствуют гексагональной решетке с периодом ~4,6 нм (диапазон 4,44–4,76 нм). Меньшая область (рис. 3d) раскрывает элементарную ячейку суперструктуры ~5 нм, с амплитудой пульсаций ~0,03 нм и небольшим угловым несоответствием между векторами суперструктуры и базовой атомной решеткой, что указывает на напряженность верхнего слоя.

Эти наблюдения указывают на то, что интерфациальное напряжение и температура отжига диктуют поверхностную реконструкцию. 5 ML пленка показывает беспорядок, 9 ML пленка — краткодалекоупорядоченную 4,6 нм суперструктуру, в то время как объемный Au(111) демонстрирует классическую «черепаху». Точная атомная модель остается неясной, так как решетчные постоянные первых двух слоев, вероятно, отличаются от объемных значений; легирование на границе также может играть роль. Дальнейшие дифракционные исследования и контролируемые STM измерения необходимы для разрешения этих неопределенностей.

Потенциальные применения 4,6 нм суперструктуры аналогичны применениям Au(111) «черепахи»: как наношаблон для регулярных молекулярных массивов с другой латеральной периодичностью и симметрией, что может расширить возможности поверхностно-шаблонной нанофабрикации.

Заключение

Наше STM исследование показывает, что 5 ML Au на Ru(0001) производит беспорядочные пульсации, тогда как 9 ML дает краткодалекоупорядоченную гексагональную/косую суперструктуру со средним в-плоскости периодом 4,6 ± 0,4 нм. Это пульсирование аналогично Au(111) «черепахе», но возникает из иного напряженного состояния тонкой пленки. Определение точной атомной геометрии потребует дифракционных экспериментов и аб-иннито моделирования.

Аббревиатуры

ML:

Монослой

RT:

Комнатная температура

STM:

Сканирующая туннельная микроскопия

UHV:

Ультра-высокий вакуум