Nanostrukturisasi Tipis Au/Ru(0001): Modulasi Tinggi dan Pembentukan Superstruktur

Latar Belakang

Permukaan Au(111) kristal massa terkenal dengan rekonstruksi 22 × √3-nya, yang digambarkan dengan baik sebagai pola tulang ikan yang berasal dari domain tekan elastis [1–7]. Tekan permukaan mengatur rekonstruksi ini, dan modifikasinya oleh langkah, cacat, atau tekan tipis telah banyak didokumentasikan [8–12]. Dalam sistem Au/Ru(0001), ketidakcocokan jaring (0,271 nm untuk Ru vs. 0,288 nm untuk Au) memperkenalkan tekan antarmuka tambahan yang dapat mengubah rekonstruksi. Studi sebelumnya pada tipis Au tipis (≤ 3 ML) mengungkapkan tulang ikan raksasa 100 nm untuk 1 ML dan superstruktur segitiga untuk 2 ML yang ditanam pada ~420 K dan dianil flash pada 790 K [16]. Pertumbuhan sub-lapisan pada suhu kamar menghasilkan pulau fraktal atau dendritik [17,18]. Namun, perilaku tipis Au yang lebih tebal pada Ru(0001) belum dieksplorasi. Tujuan kami adalah mengisi kesenjangan ini dengan mempelajari film Au 5 ML dan 9 ML yang ditanam pada suhu kamar dan dianil pada 1050 K, protokol yang menghasilkan lapisan Au rata secara atom dalam pekerjaan kami sebelumnya [13–15].

Metode

Semua eksperimen dilakukan dalam kamera UHV khusus (tekanan dasar < 10⁻¹⁰ mbar). Kristal tunggal Ru(0001) (5 mm × 5 mm × 5 mm, Mateck) dibersihkan dengan sputtering Ar⁺ 1,5 keV diikuti dengan anil 1100 K. Karbon sisa dihapus dengan paparan O₂ 5 × 10⁻⁷ mbar pada 1100 K. Emas (99,99 %, Sigma-Aldrich) dievaporasi dari kawat 0,25 mm oleh evaporator sinar elektron (Omicron) pada 1 ML/min, diverifikasi oleh spektroskopi Auger dan dikalibrasi terhadap rasio puncak Au (NVV) / Ru (MNN). Setelah depoisi, sampel dianil pada 1050 K selama 5 menit. Citra STM dilakukan dengan VT-STM (Omicron) dalam mode arus konstan pada suhu kamar, menggunakan ujung PtIr (80/20 %) yang disiapkan dengan pemotongan mekanis dan dikondisikan dengan pulsa tegangan/arus hingga 10 V/300 nA. Permukaan (2 × 2)-O/Ru(0001) digunakan untuk menyesuaikan skala lateral STM. Data diproses dengan Gwyddion (gwyddion.net).

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan evolusi permukaan Ru(0001) setelah depoisi dan anil Au. Dalam keadaan bersih (Fig. 1a), teras rata secara atom yang dipisahkan oleh langkah atom tunggal mendominasi, dengan penjang sesekali yang sesuai dengan gelembung Ar yang tertutup. Setelah depoisi 5 ML (Fig. 1b), permukaan menjadi kasar karena pertumbuhan pulau Volmer-Weber; beberapa lapis atom Au coexist dalam bidang pandangan, dan gelembung yang tertutup masih terlihat. Film 9 ML (Fig. 1c) membentuk pulau tiga dimensi yang mencolok (~10 nm ukuran lateral), yang secara dramatis meningkatkan kekasaran. Anil pada 1050 K memulihkan teras rata secara atom (Fig. 2a,b). Film 5 ML menunjukkan gerombolan acak (< 0,05 nm amplitudo) tanpa urutan jarak jauh, sedangkan film 9 ML menunjukkan jaringan gerombolan yang sangat teratur dengan motif segitiga.

Gambar 2c membandingkan film 9 ML yang dianil dengan permukaan Au(111) kristal tunggal. Au(111) menampilkan tulang ikan 22 × √3 yang familiar dengan modulasi tinggi yang sebanding (~0,05 nm). Sebaliknya, gerombolan film 9 ML tidak memiliki urutan periodik jarak jauh yang terlihat pada Au massa. Untuk membedah struktur ini, kami menggambar teras besar (Fig. 3a) dan melakukan transformasi Fourier cepat (FFT) (Fig. 3b). Puncak FFT orde pertama sesuai dengan jaring heksagonal dengan periode ~4,6 nm (rentang 4,44–4,76 nm). Area yang lebih kecil (Fig. 3d) mengungkapkan sel unit superstruktur ~5 nm, dengan amplitudo gerombolan ~0,03 nm dan ketidakcocokan sudut kecil antara vektor superstruktur dan jaring atom di bawahnya, yang menunjukkan lapis atas yang ditegang.

Observasi ini menunjukkan bahwa tekan antarmuka dan suhu anil menentukan rekonstruksi permukaan. Film 5 ML menunjukkan gangguan, film 9 ML superstruktur 4,6 nm yang terpendek terurut, sementara Au(111) massa menampilkan tulang ikan klasik. Model atom yang tepat masih tidak jelas karena konstanta jaring dua lapis pertama kemungkinan berbeda dari nilai massa; paduan di antarmuka mungkin juga memainkan peran [26]. Studi difraksi lebih lanjut dan pengukuran STM yang terkontrol diperlukan untuk menyelesaikan ambigu ini.

Aplikasi potensial dari superstruktur 4,6 nm mencerminkan tulang ikan Au(111): sebagai nanotemplate untuk array molekular reguler dengan periodisitas dan simetri lateral yang berbeda, yang dapat memperluas cakupan fabrikasi nano berbasis templat permukaan.

Kesimpulan

Studi STM kami mengungkapkan bahwa 5 ML Au pada Ru(0001) menghasilkan gerombolan acak, sedangkan 9 ML menghasilkan superstruktur heksagonal/oblik yang terpendek terurut dengan periode rata-rata dalam bidang 4,6 ± 0,4 nm. Gerombolan ini analog dengan tulang ikan Au(111), namun timbul dari status tekan yang berbeda dalam tipis. Menentukan geometri atom yang tepat akan membutuhkan eksperimen difraksi dan pemodelan ab initio.

Singkatan

ML:

Lapisan tunggal

RT:

Suhu kamar

STM:

Mikroskopi tunel pengindra

UHV:

Vakum ultra-tinggi