Subtile Nanostrukturierung der Au/Ru(0001)-Oberfläche

Hintergrund

Die Au(111)-Oberfläche von Volumenproben weist eine ziemlich einzigartige 22 × √3-Rekonstruktion auf, wie durch STM beobachtet [1, 2], die jetzt in Bezug auf Atomstruktur und elektronische Eigenschaften gut verstanden ist [3,4,5,6] . Normalerweise wird die Au(111)-22 × √3-Rekonstruktion dadurch erklärt, dass 23 Atome der ersten Oberflächenschicht auf den 22 Atomen der zweiten Schicht sitzen, was zu einer orientierungsentarteten Kontraktion entlang der (110)-Richtung führt. Um die freie Energie der Oberfläche zu minimieren, zerfällt diese in physikalisch äquivalente elastische Spannungsbereiche alternierender Orientierung, die sich zu einem bekannten Fischgrätmuster anordnen [7]. Offensichtlich hat eine Oberflächenspannung einen enormen Einfluss auf die Rekonstruktion von Au(111), so dass man seine Strukturveränderungen erwarten könnte, wenn die Oberflächenspannung variiert. Tatsächlich wurde festgestellt, dass einzelne atomare Stufen die Oberflächenzugspannung freisetzen, was zu Veränderungen des Fischgrätmusters in Abhängigkeit von der Terrassenbreite führt [8, 9]. Darüber hinaus könnte das oben genannte Muster lokal inmitten einer atomar flachen Terrasse modifiziert worden sein, indem mittels atomarer Manipulation mit einer Rastertunnelmikroskopspitze lokale Spannungen durch künstlich erzeugte Oberflächendefekte induziert werden [10]. Dünnschichtproben von Au(111) können aufgrund der Fehlanpassung der Gitterkonstanten mit dem Trägersubstrat zusätzlichen Grenzflächenspannungen ausgesetzt sein [11], was wiederum die Feinheiten der Oberflächenrekonstruktion beeinflusst [12].

Unser Interesse an Dünnschichtsystemen mit Au(111) stammt aus unseren früheren Arbeiten, bei denen wir eine atomar flache Goldoberfläche für einen 14 Monoschicht (ML)-Film beobachteten, der unter einer einzelnen Schicht BN vergraben ist [13] und einen 2 ML-Film [ 14], in beiden Fällen auf dem Ru(0001)-Substrat nach dem Tempern bei 1050 K. Außerdem wurde in der vorherigen Arbeit von einem von uns eine atomar flache Benetzungsschicht aus 2 ml Au gebildet, die auf Ru(0001) abgeschieden wurden. bei 700 K [15]. Die Ebenheit der Filmoberfläche im atomaren Maßstab signalisiert die Möglichkeit der Rekonstruktion, wie sie intuitiv für Gold erwartet wird; es kann jedoch aufgrund zusätzlicher Spannungen, die durch die Gitterfehlanpassung zwischen Ru(0001) und Au(111) induziert werden, die durch Gitterkonstanten in der Ebene von 0,271 gekennzeichnet ist, vom Standardbild (22 × √3-Fischgrät) abweichen bzw. 0,288 nm. Tatsächlich wurde ein Fischgrätmuster mit einer ungewöhnlich großen Periode von etwa 100 nm für einen 1 ML-Au-Film und eine charakteristische Trigonstruktur für einen 2 ML-Film gefunden, die beide bei ~ 420 K auf dem Ru(0001)-Substrat abgeschieden und bei 790 K . blitzgeglüht wurden [16]. In der Literatur findet man auch Untersuchungen zur Au-Abscheidung auf Ru(0001) bei Raumtemperatur (RT), die zweidimensionale fraktale oder dendritische Strukturen innerhalb der Submonolayer-Filme [17] und allmähliche Nukleation und Vervollständigung nachfolgender Atomschichten nach oben zeigen bis 3 ML Abdeckung [18].

Offensichtlich beziehen sich die in der oben erwähnten Literatur beschriebenen Experimente auf die Au/Ru(0001)-Grenzfläche, die in ziemlich unterschiedlichen Temperaturbereichen hergestellt wurde, mit einem offensichtlichen Mangel an Informationen oberhalb der Dicke von 3 ML. Daher war es das Ziel der vorliegenden Arbeit, dickere Au-Schichten auf Ru(0001) zu untersuchen. Hier wählen wir das folgende Vorbereitungsschema:Abscheidung bei RT und anschließendes Glühen bei 1050 K – ähnlich wie bei unserer vorherigen Arbeit.

Methoden

Alle Experimente, einschließlich der Probenvorbereitung und ihrer Charakterisierung, wurden in einem speziell angefertigten Ultrahochvakuum (UHV)-System durchgeführt; Details wurden an anderer Stelle beschrieben [19]. Die anfängliche Vorbereitung des einkristallinen Ru(0001)-Substrats (Probengröße 5 mm × 5 mm × 5 mm, geliefert von Mateck) bestand aus Sputtern mit 1,5 keV Ar ⁺ -Ionen (Ar-Reinheit von 99,999%, geliefert von Linde), wobei die Probe bei 1100 K gehalten wurde, um die Schäden an der kristallinen Struktur von Ruthenium zu heilen. Als nächstes wurde die Oberfläche molekularem Sauerstoff (Reinheit 99,999 %, geliefert von Linde) bei 5 × 10 ^–7 . ausgesetzt mbar-Bereich für mehrere Dutzend Minuten, während die gleiche Probentemperatur beibehalten wird. Diese Behandlung hatte Kohlenstoffverunreinigungen aus dem oberflächennahen Bereich der Probe entfernt. Gold wurde bei Raumtemperatur (RT) aus einem Draht mit Ø 0,25 mm (Reinheit 99,99 %, geliefert von Sigma Aldrich) durch einen Elektronenstrahlverdampfer (geliefert von Omicron) mit einer Geschwindigkeit von 1 ML/min auf das Substrat aufgedampft. Die Reinheit unserer Au-Quelle wurde mittels Auger-Elektronenspektroskopie in einem separaten Versuchsaufbau überprüft sowie durch Überwachung des Au (NVV, 69 eV)/Ru (MNN, 273 eV)-Peakverhältnisses kalibriert. Die Oberflächentopographie der Proben wurde in-situ mittels STM im Konstantstrommodus (VT-STM, geliefert von Omicron) untersucht. Alle Messungen wurden beim Untergrunddruck im UHV-Bereich und immer nach Abkühlung der Probe auf RT durchgeführt, letzteres, um eine thermische Drift und damit verbundene Bildverzerrungen zu minimieren. Wir haben metallische Sondenspitzen verwendet, die von Hand aus dem Pt_80% . geschnitten wurden Ir_20 % Ø 0,25 mm Draht (Reinheit 99,9 %, geliefert von Sigma Aldrich). Diese Spitzen wurden im Tunnelregime durch Spannungs- und Stromimpulse der Größenordnung bis zu 10 V und entsprechend 300 nA an Oberflächenpositionen weit entfernt vom eigentlichen Bildgebungsbereich konditioniert. Die Pulse wurden angelegt, bis bei bestimmten Tunnelbedingungen eine stabile Bildgebung möglich war, wenn auch bei verschiedenen Proben und Experimenten unterschiedlich. Für die Kalibrierung unseres STM-Instruments wurde eine gut etablierte (2 × 2)-O/Ru(0001)-Oberflächenstruktur mit einer leicht auflösbaren hexagonalen Anordnung von O-Atomen mit einer lateralen Periodizität von 0,54 nm verwendet [20, 21]. Es wurde aufgrund der einfachen Herstellung in unserem Versuchsaufbau ausgewählt, im Wesentlichen durch eine geringfügige Variation des Substratvorbereitungsverfahrens. Die Sauerstoffexposition wurde nämlich durch Abschalten des Probenheizers beendet, während die Sauerstoffzufuhr mehrere Minuten lang gehalten wurde, was zu einer Probenkühlung in einer Sauerstoffatmosphäre führte. Die gesamte STM-Datenverarbeitung wurde mit der Gwyddion-Software durchgeführt, die kostenlos auf der Website gwyddion.net erhältlich ist.

Ergebnisse und Diskussion

Zuerst untersuchen wir die Oberflächenmorphologie von Ru(0001) mit und ohne den abgeschiedenen Au-Film (siehe Abb. 1, STM-Bilder 86 nm × 86 nm) vor dem Tempern auf 1050 K. In Abb. 1a beobachten wir ein typisches saubere Ru(0001)-Oberfläche, die sich aus unserem Vorbereitungsverfahren ergibt. Es legt atomar flache Terrassen „t“ frei, die meist durch einzelne atomare Stufen „s“ getrennt sind und sowohl im Bild als auch im Höhen-Abstands-Querschnitt entsprechend markiert sind. Auf atomar flachen Terrassen bemerken wir unregelmäßig angeordnete und geformte Erhebungen „b“, die den Erhebungen über den vergrabenen Argonblasen nach ähnlicher Präparation von Ru(0001) von Jakob et al. [22].

STM-Bilder (86 nm × 86 nm) der einkristallinen Ru(0001)-Probe in verschiedenen Stadien des Au-Filmwachstums:a das anfängliche saubere metallische Substrat; Probenvorspannung:U = + 0,1 V, Tunnelstrom:I = 10 nA. b 5 ml Au-Film; U = − 0,05 V, I = 1 nA. c 9 ML Au-Film; U = 0,01 V, I = 1 nA. Alle Bilder werden in einer identischen Grauskala (Höhe-zu-Farbe-Entsprechung) dargestellt, die ganz rechts angegeben ist. Unter jedem Bild sind die Höhen-Abstands-Querschnitte entlang der gestrichelten Linien dargestellt. Die Bedeutung der Bezeichnungen in den Bildern:„t“ – atomar flache Terrassen, „s“ – einzelne Atomstufen, „b“ – Positionen über den vergrabenen Argonblasen, „ד – Höhe der Atomschicht entsprechend der nominalen Bedeckung, „−“ — eine Atomschicht unter dem Nennwert, "+" – eine Atomschicht über dem Nennwert

Der Fall eines abgeschiedenen 5 ML-Films ist in Abb. 1b dargestellt. Im Wesentlichen beobachten wir eine Aufrauung der Probenoberfläche als Ergebnis entweder des Stranski-Krastanov- oder Volmer-Weber-Wachstumsmodus von Au auf Ru(0001) bei RT. Sie manifestiert sich durch Nukleation einer nächsten Atomschicht, während die vorherige Atomschicht des wachsenden Films noch nicht vollständig ist. Allerdings lassen sich die Wachstumstypen Stranski-Krastanov und Volmer-Weber [23] anhand von Lit. differenzieren. [17], wo der Beginn der Nukleation der zweiten Schicht bei einer nominalen Au-Bedeckung von 0.8 ML berichtet wurde. Somit stimmen unsere aktuellen Daten mit dem Volmer-Weber-Wachstumsmodus im Au/Ru(0001)-System bei RT überein. In Abb. 1b sehen wir bereits drei aufeinanderfolgende Atomschichten des Adsorbats, die im sichtbaren Bereich der Probe gleichzeitig einem Vakuum ausgesetzt werden – gekennzeichnet durch das Kreuz-, Plus- und Minuszeichen. Unter Berücksichtigung der 5 ML-Bedeckung kann man sie vorläufig der vierten („−“), fünften („ד) und sechsten („+“) Atomschicht des wachsenden Au-Films zuordnen. Außerdem kann man in diesem Wachstumsstadium noch die ursprünglichen Oberflächenpositionen über den vergrabenen Argonblasen erkennen, die im Durchschnitt etwas heller (höher) als ihre Umgebung sind.

Schließlich präsentieren wir in Abb. 1c die höchste Menge an Au, die in der vorliegenden Arbeit auf Ru(0001) abgeschieden wurde, nämlich einen 9 ML-Film. In diesem Fall beobachten wir eine ausgeprägte dreidimensionale Inselstruktur. Der Au-Film ist in diesem Zustand im Wesentlichen nanostrukturiert, während die seitliche Größe der Inseln in der Größenordnung von 10 nm liegt. Damit einher geht auch eine erhebliche Zunahme der Oberflächenrauhigkeit, wie aus dem Vergleich aller drei Querschnitte unterhalb der STM-Bilder in Abb. 1 geschlossen werden kann. Nämlich in Abb. 1b die Größenordnung von Höhenvariationen von mehr als 3 nm bedeutet, dass mehr als 10 Atomschichten gleichzeitig Vakuum ausgesetzt werden. Somit veranschaulicht Abb. 1 die Tendenz des Au-Wachstums auf Ru(0001) bei RT, mit einer ausgeprägten 3D-Inselbildung in einem ausreichend späten Wachstumsstadium fortzufahren, während die Oberfläche der Probe weit von ihrer anfänglichen atomaren Ebenheit entfernt ist. Auf einem so rauen Hintergrund sind keine subtilen Erhebungen durch „unterirdische“ Ar-Blasen zu erkennen. In Abb. 2a, b präsentieren wir die STM-Bilder (86 nm × 86 nm) derselben Au/Ru(0001)-Proben wie in Abb. 1b, c, jedoch nach zusätzlichem Tempern bei 1050 K während 5 Minuten im UHV. In beiden Fällen beobachten wir die Oberfläche, die aus atomar flachen Terrassen „t“ besteht, die durch einzelne atomare Stufen „s“ getrennt sind, wie aus den Querschnitten unter den Bildern zu schließen ist. Dies bedeutet, dass unser Glühverfahren zu einer endgültigen Glättung der abgeschiedenen Au-Filme führt. Der Fall eines 5 ML Au-Films ist in Abb. 2a dargestellt. Hier, innerhalb der Terrassen, haben wir durchweg die Welligkeit der Oberfläche mit einer Magnitude unter 0,05 nm beobachtet. Die Wellen „r“ erscheinen in ihrer Form und Anordnung willkürlich und bilden keine geordnete Struktur. Im Fall von 9 ML ändert sich die Situation qualitativ, nämlich in Abb. 2b beobachten wir die Welligkeit in der gleichen Höhe, aber mit einer sehr regelmäßigen Anordnung der Welligkeiten, die ungefähr dreieckig sind. Der Dickenwert von 9 ML ist bereits groß genug, um sich den Bulk-Eigenschaften von Gold anzunähern. Daher zeigen wir zum Vergleich in Abb. 2c das STM-Bild derselben Größe, das mit der einkristallinen Au(111)-Probe erhalten wurde. Seine Oberfläche wurde durch ein etabliertes Standardverfahren des gleichzeitigen Ionensputterns und Temperns präpariert, wobei der größte Teil der Oberfläche atomar flach war, abgesehen von einer kleinen Menge an Störstellenclustern „i“. Hier zeigen die flachen Terrassen erwartungsgemäß ein bekanntes „Fischgrätmuster“ des rekonstruierten Au(111), mit einer Höhenmodulation ähnlicher Größenordnung wie die Welligkeit in Abb. 2a, b. Letztere Tatsache lässt sich aus allen drei Querschnitten in Abb. 2 ableiten, die jeweils über eine einzelne atomare Stufe verlaufen, die auf beiden Seiten atomar flache Terrassen trennt. Die Oberflächenstruktur in Abb. 2b verdient aufgrund ihrer Regelmäßigkeit und eines offensichtlichen drastischen Unterschieds zu einer einkristallinen Au(111)-Oberflächenstruktur besondere Aufmerksamkeit. Da das Vorhandensein von Stufen und benachbarten Terrassen innerhalb eines einzelnen Bildes die subtilen Höhenunterschiede eines gegebenen atomar flachen Bereichs verdeckt, haben wir denselben getemperten 9 ML-Film weiter untersucht und dabei einen Ort mit einer ausreichend großen Terrasse für ein STM-Bild gewählt in seiner Gänze. Ein solcher Ort ist in Abb. 3a mit einem Sichtfeld von 86 nm × 86 nm dargestellt, der bestimmte Unregelmäßigkeiten im Muster der Oberflächenwelligkeit zeigt, da man zahlreiche abrupte Änderungen in der Anordnung der Wellen sowie Variationen in ihrer seitlichen Periodizität beobachten kann. mit anderen Worten – im gegebenen Fall fehlt jegliche Long-Range-Order. Darüber hinaus zeigte diese Oberfläche auch eine gewisse Heterogenität (Bereiche mit starken Helligkeitsschwankungen), die von Verunreinigungen (auf oder vielleicht innerhalb des Au-Films) oder unterirdischen Argonblasen (letztere könnten wieder erkennbar werden, wenn die Oberfläche meist atomar flach wie in Abb. 1a). In Abb. 3b präsentieren wir ein Muster der schnellen Fourier-Transformation (FFT) des Bildes in Abb. 3a, bei dem die Überstrukturpunkte erster Ordnung deutlich erkennbar sind (durch weiße Pfeile markiert). Die Umrechnung ihres Abstands vom (0,0)-Punkt in die Periodizität im Realraum ergibt drei Werte von 4,44, 4,76 und 4,55 nm, die ziemlich nahe beieinander liegen und auf die durch thermische Drift, Piezokriechen verzerrte hexagonale Elementarzelle hinweisen. und andere bekannte Artefakte der STM-Technik. Eine schräge Elementarzelle der Suprastruktur kann in unserer Studie jedoch nicht ausgeschlossen werden. Der Durchschnitt dieser drei Werte, d. h. ~ 4,6 ±0,4 nm, ist die beste aktuelle Schätzung der Periodizität der Au-Oberflächenwelligkeit im (9 ML Au)/Ru(0001)-Film/Substrat-System nach Erreichen des thermischen Gleichgewichts während des Temperns bei 1050 K. Hier wurde der Bereich, in dem die tatsächlichen Periodizitätswerte gestreut sind, aus der Halbwertsbreite des FFT-Flecks erster Ordnung erhalten. Der Querschnitt in Abb. 3c wurde entlang der weißen gestrichelten Linie in Abb. 3a erhalten, wodurch jegliche Oberflächenheterogenitäten vermieden werden. Es zeigt die Größe der Welligkeit in der Größenordnung von 0,02 nm; die Messung der lateralen Periodizität der Suprastruktur kann jedoch aufgrund der oben erwähnten Artefakte irreführend sein.

STM-Bilder (86 nm × 86 nm) von atomar flachen Au(111)-Oberflächen. a, b Dünne Au-Filme, die auf Ru(0001) bei RT aufgewachsen und bei 1050 K während 5 Minuten getempert wurden; a Nennabdeckung 5 ML, Probenvorspannung:U = − 0,2 V, Tunnelstrom:I = 3 nA, b 9 ml, U = − 0,003 V, I = 10 nA, c einkristalline Au(111)-Probe; U = − 0,003 V, I = 10 nA. Bitte beachten Sie die unterschiedlichen Graustufen rechts neben jedem Bild. Unter jedem Bild sind die Höhen-Abstands-Querschnitte entlang der weißen gestrichelten Linien dargestellt. Bezeichnungen:„t“ – atomar flache Terrassen, „s“ – einzelne Atomschritte, „r“ – Wellen, „i“ – Verunreinigungscluster

STM-Bilder des 9-ML-Au-Films, der auf Ru(0001) bei RT gewachsen und bei 1050 K während 5 Minuten getempert wurde:a Sichtfeld 86 nm × 86 nm, Probenvorspannung:U = − 0,003 V, Tunnelstrom:I = 10 nA. b FFT-Transformation des Bildes (a ) gezeigt ist ein quadratischer Abschnitt des reziproken Raums mit einer Seite von 1 nm ⁻¹ , der Punkt 0. Ordnung liegt genau in der Mitte. c Querschnitt entlang der weißen gestrichelten Linie in a . d Sichtfeld 17 nm × 17 nm, Probenvorspannung – 0,003 V, Tunnelstrom 50 nA; weiße Pfeile bezeichnen die primitiven Translationsvektoren der Oberflächenüberstruktur. e, f Querschnitte entlang der gestrichelten Linien 1 und 2 in d . Rechts neben den Bildern ist eine individuelle Grauskala (Höhe-zu-Farbe-Entsprechung) angegeben a und d . 4,6 nm-Balken werden in den Grafiken in c als schwarze durchgezogene Linien angezeigt , e , f

Schließlich beobachten wir in Abb. 3d eine kleine Oberfläche (17 nm × 17 nm), die mehrere Überstruktur-Elementarzellen enthält, die in diesem Maßstab als lateral periodisch angesehen werden können. Dieses Bild wurde mit atomarer Auflösung aufgenommen, sodass die Querschnitte in Abb. 3e, f entlang hochsymmetrischer Richtungen des Atomgitters (weiße gestrichelte Linien 1 und 2) erhalten wurden. Der Betrag der Höhenwellung zwischen den einzelnen Atomen liegt typischerweise im Bereich von 0,005 bis 0,015 nm, während der Betrag der Oberflächenwelligkeit mit etwa 0,03 nm etwas höher ist als in Abb. 3a (was durch eine höhere Einstellung von . erklärt werden kann). der konstante Tunnelstrom). Daher beträgt die beste Schätzung der Unsicherheit der gemessenen Oberflächenwelligkeit basierend auf den verfügbaren Daten ±   0,01 nm. Wir zögerten, den genauen interatomaren Abstand innerhalb der obersten Schicht aus den Querschnitten (3e, f) zu extrahieren, aufgrund der oben bereits erwähnten STM-Artefakte, bis eine spezielle Untersuchung mit Beugungstechniken durchgeführt wurde. Weiße Pfeile umreißen die Seiten einer Elementarzelle des Überbaus, die durch Oberflächenwelligkeit entsteht. An der gegebenen Stelle beträgt seine laterale Periodizität ungefähr 5 nm, was etwas größer ist als der Mittelwert, der durch FFT aus Fig. 3a erhalten wird. Eine wichtige Beobachtung ist eine gerichtete Nichtübereinstimmung der Translationsvektoren der Überstruktur und der hohen Symmetrierichtungen des Atomgitters. Außerdem ist diese Winkelabweichung für diese beiden Vektoren unterschiedlich, was darauf hinweisen kann, dass die erste und die zweite Oberflächenschicht relativ zueinander gedreht sind. Auch hier konnten die exakten Winkelwerte aufgrund seitlicher Verzerrungen innerhalb des Bildes nicht extrahiert werden. Sind die wahren Periodizitäten entlang der gestrichelten Linien 1 und 2 unterschiedlich (also eine schräge Elementarzelle des Oberflächen-Atomgitters), dann kommt es zu einer anisotropen Kontraktion der obersten Atomschicht, was auch für das Standard-Au(111) der Fall ist. -22 × √3 Rekonstruktion. Auf einkristallinem Au(111) wird die resultierende Spannung durch spontane Bildung der Fischgrät-Überstruktur abgebaut, während im Fall der Abb. 2b und 3a ist es das Fehlen der Fernordnung, das der spontanen Bildung einer Reihe von orientierungsentarteten elastischen Dehnungsdomänen entspricht.

Die Überstruktur in Abb. 3d ähnelt der von Ling et al. für den 2 ML Au-Film auf Ru(0001) [16]; Eine genaue Untersuchung der entsprechenden STM-Bilder zeigt jedoch, dass sie nicht identisch sind. Sie unterscheiden sich auch stark in der Art ihrer Herstellung:Abscheidung bei ~ 420 K und Flash-Annealing bei 790 K für die Trigonstruktur [16] im Gegensatz zu RT-Abscheidung und verlängertem Tempern bei 1050 K in der vorliegenden Arbeit. Alle diese Strukturen, einschließlich einer ungeordneten Oberflächenwelligkeit auf der Oberseite der 5 ML in Abb. 2a, resultieren eindeutig aus unterschiedlichen Spannungen, denen der Au-Film ausgesetzt ist. Es ist jedoch Vorsicht geboten, eine bestimmte Schichtdicke auf die an ihrer Oberfläche beobachtete Überstruktur zu beziehen, da unterschiedliche Wärmebehandlungen auch bei gleicher Nenndicke zu unterschiedlichen Strukturen mit unterschiedlichen Spannungswerten führen können. Obwohl Au und Ru keine massiven Legierungen bilden [24, 25], gibt es experimentelle Hinweise, dass in diesem System Oberflächenlegierungen gebildet werden können [26]. Wir vermuten, dass der Grad einer solchen Legierung durch die Temperatur und Dauer der thermischen Behandlung beeinflusst werden kann, was zu einem verspannten Au-Film mit einer Gitterkonstanten zwischen Volumen-Ru- und Volumen-Au-Werten führt. Diese Ungewissheit hindert uns daran, ein vorläufiges Atommodell der in den Abb. 2b und 3a,d. Dies kann realistischerweise nur durchgeführt werden, wenn die genauen tatsächlichen Werte der Gitterkonstanten sowohl in der ersten als auch in der zweiten Atomschicht bekannt sind, die aus Beugungsexperimenten gewonnen werden können. Parallel dazu sollten genauere STM-Messungen mit thermischer Driftkorrektur durchgeführt werden, um die Genauigkeit der erhaltenen Realraumdaten auf der ersten Atomschicht zu erhöhen.

Weitere Experimente sind auch erforderlich, um die Dickenabhängigkeit des Nanostrukturierungsmusters weiter aufzuklären. Die faszinierendste Frage, ob das bauschige Fischgrätmuster bei ausreichend hohen Dickenwerten erreicht wird. Die bisher verfügbaren Daten zeigen drei qualitativ unterschiedliche Fälle (für unsere Präparationsroute):keine Nanostrukturierung bis 3 ML Au, ungeordnete Welligkeit bei 5 ML und geordnete Welligkeit der Oberfläche des 9 ML-Films. Daher bestätigen unsere in diesem Artikel berichteten vorläufigen Experimente unsere anfängliche Hypothese, dass die unterschiedliche Filmdicke zu unterschiedlichen Rekonstruktionen der Au(111)-Oberfläche im Au/Ru(0001)-System führt. Sie weisen auf eine komplizierte Abhängigkeit der Nanostrukturierung von der Au-Schichtdicke hin und rechtfertigen somit weitere detaillierte Studien mit unterschiedlicheren Mengen an abgeschiedenem Material. Es sind zusätzliche Anstrengungen erforderlich, um mögliche instrumentelle Artefakte oder Unsicherheiten zu vermeiden, insbesondere um alle STM-Bilder unter identischen Tunnelbedingungen zu erhalten (dies erfordert mehr Versuche, die Sondenspitzen vorzubereiten, die einen stabilen Tunnelstrom bei derselben Vorspannung auf verschiedenen Proben).

Alle möglichen Anwendungen der neuen Überstruktur hätten ungefähr den gleichen praktischen Wert wie die des selbstorganisierten nanoskopischen Au(111)-Fischgrätenmusters (unter Berücksichtigung der traditionell hohen Kosten der einkristallinen Metallsubstrate). Letzteres ist ein bewährtes Nanotemplat zur Erzeugung hochregelmäßiger molekularer Anordnungen durch Ausnutzung der bevorzugten Adsorption geeigneter Moleküle in bestimmten Teilen der Oberflächenelementarzelle. In ähnlicher Weise könnte die neu gefundene 4,6-nm-Überstruktur als Nanotemplat für molekulare Anordnungen Verwendung finden, jedoch mit einer anderen lateralen Periodizität und Symmetrie als bei einkristallinem Au(111).

Schlussfolgerungen

Zusammenfassend haben wir mittels STM-Untersuchung sowohl ungeordnete als auch geordnete Wellungen der Oberfläche des Au(111)-Films auf der Oberseite des Ru(0001)-Substrats für eine Nenndicke von 5 ML bzw. 9 ML identifiziert. Im letzteren Fall wird eine hexagonale oder schräge Überstruktur mit einer durchschnittlichen Periodizität in der Ebene von 4,6 ± 0,4 nm aber ohne Fernordnung gebildet. Es wird angenommen, dass diese Kräuselung in ihrer Natur der bekannten Au(111)-22 × √3-Fischgrätrekonstruktion ähnelt, die an einkristallinen Goldproben beobachtet wurde. Das genaue Wellenmuster der neu berichteten Überstruktur resultiert aus dem Zusammenspiel unterschiedlicher interatomarer Abstände auf der Oberfläche und im Inneren des Au-Films, die noch nicht genau bekannt sind. Weitere Untersuchungen mit verschiedenen Beugungstechniken sowie Ab-initio-Modellierung wären erforderlich, um ein genaues atomares Modell der berichteten Oberflächenüberstruktur zu erstellen.

Abkürzungen

ML:

Monoschicht

RT:

Raumtemperatur

STM:

Rastertunnelmikroskopie

UHV:

Ultrahochvakuum