Nanostrukturierung von Au/Ru(0001)-Dünnfilmen: Höhenmodulation und Superstruktur-Bildung

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine Rastertunnelmikroskopie (STM)-Untersuchung von Au-Dünnfilmen auf Ru(0001) mit nominellen Dicken von 5 und 9 Monolagen (ML), abgeschieden bei 300 K und subsequent bei 1050 K geglüht. Der 9-ML-Film zeigt eine neue lateral periodische Superstruktur: eine subtile Höhenwellung von bis zu 0,03 ± 0,01 nm Amplitude und einer lateralen Periode von 4,6 ± 0,4 nm. Die Superstruktur weist langreichweitige Unordnung auf.

Hintergrund

Die Au(111)-Oberfläche von Bulkkristallen ist bekannt für ihre 22 × √3-Rekonstruktion, gut beschrieben als Fischgrätenmuster, das aus elastischen Spannungsdomänen resultiert. Oberflächenspannung steuert diese Rekonstruktion, und ihre Modifikation durch Stufen, Defekte oder Dünnfilmspannung wurde umfangreich dokumentiert. In Au/Ru(0001)-Systemen führt der Gitterfehlpass (0,271 nm für Ru vs. 0,288 nm für Au) zu zusätzlicher interfacialer Spannung, die die Rekonstruktion verändern kann. Frühere Studien an ultradünnen Au-Filmen (≤ 3 ML) zeigten ein riesiges 100-nm-Fischgrätenmuster für 1 ML und eine dreieckige Superstruktur für 2 ML, abgeschieden bei ~420 K und blitzgeglüht bei 790 K. Submonolagen-Wachstum bei Raumtemperatur führt zu fraktalen oder dendritischen Inseln. Das Verhalten dickerer Au-Filme auf Ru(0001) wurde jedoch noch nicht erforscht. Unser Ziel ist es, diese Lücke zu schließen, indem wir 5-ML- und 9-ML-Au-Filme untersuchen, die bei RT abgeschieden und bei 1050 K geglüht wurden, ein Protokoll, das in unserer früheren Arbeit atomar flache Au-Schichten ergab.

Methoden

Alle Experimente wurden in einer kundenspezifischen Ultrahochvakuum (UHV)-Kammer (Basisdruck < 10⁻¹⁰ mbar) durchgeführt. Ein einkristallines Ru(0001) (5 mm × 5 mm × 5 mm, Mateck) wurde durch 1,5 keV Ar⁺-Sputtern gefolgt von 1100 K Glühen gereinigt. Restkohlenstoff wurde durch 5 × 10⁻⁷ mbar O₂-Exposition bei 1100 K entfernt. Gold (99,99 %, Sigma-Aldrich) wurde von einem 0,25 mm Draht per Elektronenstrahlverdampfer (Omicron) mit 1 ML/min verdampft, verifiziert durch Auger-Spektroskopie und kalibriert am Au (NVV) / Ru (MNN) Peak-Verhältnis. Nach Abscheidung wurden die Proben 5 min bei 1050 K geglüht. STM-Abbildungen erfolgten mit einem VT-STM (Omicron) im Konstantstrommodus bei Raumtemperatur, mit PtIr (80/20 %) Spitzen, hergestellt durch mechanisches Schneiden und konditioniert mit Spannungs/Strom-Impulsen bis 10 V/300 nA. Die (2 × 2)-O/Ru(0001)-Oberfläche diente zur Kalibrierung der STM-Lateralmaßstäbe. Daten wurden mit Gwyddion (gwyddion.net) verarbeitet.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt die Entwicklung der Ru(0001)-Oberfläche bei Au-Abscheidung und Glühen. Im reinen Zustand (Abb. 1a) dominieren atomar flache Terrassen, getrennt durch einzelne Atomstufen, mit gelegentlichen Erhebungen, die eingebetteten Ar-Blasen entsprechen. Nach Abscheidung von 5 ML (Abb. 1wird die Oberfläche aufgrund von Volmer-Weber-Inselwachstum rau; mehrere atomare Lagen Au koexistieren im Sichtfeld, und die eingebetteten Blasen sind noch erkennbar. Ein 9-ML-Film (Abb. 1c) bildet ausgeprägte dreidimensionale Inseln (~10 nm laterale Größe), was die Rauheit dramatisch erhöht. Glühen bei 1050 K stellt atomar flache Terrassen wieder her (Abb. 2a,b). Der 5-ML-Film zeigt zufällige Wellen (< 0,05 nm Amplitude) ohne langreichweitige Ordnung, während der 9-ML-Film ein hochregelmäßiges Wellennetzwerk mit dreieckigen Motiven aufweist.

Abbildung 2c vergleicht den geglühten 9-ML-Film mit einer einkristallinen Au(111)-Oberfläche. Die Au(111) zeigt das bekannte 22 × √3-Fischgrätenmuster mit vergleichbarer Höhenmodulation (~0,05 nm). Im Gegensatz dazu fehlen dem 9-ML-Film die langreichweitige Periodizität des Bulk-Au. Um diese Struktur zu untersuchen, bildeten wir eine große Terrasse ab (Abb. 3a) und führten eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) durch (Abb. 3b). Die ersten FFT-Spots entsprechen einem hexagonalen Gitter mit einer Periode von ~4,6 nm (Bereich 4,44–4,76 nm). Ein kleinerer Bereich (Abb. 3d) offenbart eine Superstruktur-Gitterzelle von ~5 nm, mit Wellamplituden von ~0,03 nm und einem leichten Winkelmismatch zwischen den Superstrukturvektoren und dem zugrunde liegenden Atomgitter, was auf eine gespannte oberste Lage hindeutet.

Diese Beobachtungen deuten darauf hin, dass interfaciale Spannung und Glühtemperatur die Oberflächenrekonstruktion bestimmen. Der 5-ML-Film zeigt Unordnung, der 9-ML-Film eine kurzreichweitig geordnete 4,6-nm-Superstruktur, während Bulk-Au(111) das klassische Fischgrätenmuster zeigt. Das genaue Atommodell bleibt unklar, da die Gitterkonstanten der ersten beiden Lagen wahrscheinlich von Bulkwerten abweichen; Legierungsbildung an der Grenzfläche könnte ebenfalls eine Rolle spielen. Weitere Beugungsstudien und kontrollierte STM-Messungen sind nötig, um diese Unklarheiten zu lösen.

Potenzielle Anwendungen der 4,6-nm-Superstruktur spiegeln jene des Au(111)-Fischgrätenmusters wider: als Nanotemplate für regelmäßige Molekül-Arrays mit anderer lateraler Periodizität und Symmetrie, was den Anwendungsbereich oberflächengeführter Nanofabrikation erweitern könnte.

Schlussfolgerungen

Unsere STM-Studie zeigt, dass 5 ML Au auf Ru(0001) ungeordnete Wellen erzeugt, während 9 ML eine kurzreichweitig geordnete hexagonale/schräge Superstruktur mit einer durchschnittlichen in-ebenen Periode von 4,6 ± 0,4 nm liefert. Diese Wellung ist analog zum Au(111)-Fischgrätenmuster, entsteht jedoch aus einem distincten Spannungszustand im Dünnfilm. Die Bestimmung der exakten Atomgeometrie erfordert Beugungsexperimente und ab-initio-Modellierung.

Abkürzungen

ML:

Monolage

RT:

Raumtemperatur

STM:

Rastertunnelmikroskopie

UHV:

Ultrahochvakuum