Au/Ru(0001) 박막 나노구조화: 높이 변조 및 초구조 형성

요약

주사 터널링 현미경(STM)으로 5 및 9 단일층(ML) 두께의 Ru(0001) 위 Au 박막을 조사했습니다. 300K에서 증착 후 1050K에서 어닐링했습니다. 9ML 필름은 새로운 측면 주기적 초구조를 보입니다: 최대 0.03±0.01nm 진폭의 미세한 높이 물결무늬와 4.6±0.4nm 측면 주기. 이 초구조는 장거리 무질서를 보입니다.

배경

벌크 결정의 Au(111) 표면은 22×√3 재구성으로 유명하며, 탄성 변형 영역에서 기인하는 청어뼈 패턴으로 잘 설명됩니다[1-7]. 표면 응력이 이 재구성을 지배하며, 계단, 결함, 박막 변형에 의한 수정은 광범위하게 문서화되었습니다[8-12]. Au/Ru(0001) 시스템에서 격자 상수 불일치(Ru 0.271nm vs Au 0.288nm)는 재구성을 변화시킬 수 있는 추가 계면 응력을 도입합니다. 초박막 Au 필름(≤3ML) 선행 연구에서 1ML은 거대 100nm 청어뼈, 2ML은 ~420K 증착 및 790K 플래시 어닐링 후 삼각형 초구조를 보였습니다[16]. 실온 아단위 성장은 프랙탈 또는 수지상 섬유를 유도합니다[17,18]. 그러나 Ru(0001) 위 두꺼운 Au 필름의 거동은 탐구되지 않았습니다. 본 연구는 RT 증착 및 1050K 어닐링 프로토콜로 5ML 및 9ML Au 필름을 연구하여 이 공백을 메우고자 합니다. 이 프로토콜은 이전 연구에서 원자적으로 평탄한 Au 층을 생성했습니다[13-15].

연구 방법

모든 실험은 맞춤형 초고진공(UHV) 챔버(기저 압력 <10⁻¹⁰ mbar)에서 수행했습니다. 단결정 Ru(0001)(5mm×5mm×5mm, Mateck)를 1.5keV Ar⁺ 스퍼터링 후 1100K 어닐링으로 세척했습니다. 잔류 탄소는 1100K에서 5×10⁻⁷ mbar O₂ 노출로 제거했습니다. 금(99.99%, Sigma-Aldrich)을 전자빔 증착기(Omicron)로 0.25mm 와이어에서 1ML/min 속도로 증착했으며, 오제 분광법으로 검증하고 Au(NVV)/Ru(MNN) 피크 비율로 보정했습니다. 증착 후 시료를 1050K에서 5분 어닐링했습니다. STM 이미징은 VT-STM(Omicron)으로 상온에서 정전류 모드로 수행했으며, 기계적 절단으로 제조한 PtIr(80/20%) 팁을 10V/300nA까지 전압/전류 펄스로 컨디셔닝했습니다. (2×2)-O/Ru(0001) 표면으로 STM 측면 스케일을 보정했습니다. 데이터는 Gwyddion(gwyddion.net)으로 처리했습니다.

결과 및 논의

그림 1은 Au 증착 및 어닐링에 따른 Ru(0001) 표면 진화를 보여줍니다. 깨끗한 상태(그림 1a)에서는 원자적으로 평탄한 테라스가 단일 원자 계단으로 분리되어 우세하며, 매립된 Ar 기포에 해당하는 가끔 돌출부가 보입니다. 5ML 증착 후(그림 1b), 볼머-베버 섬 성장으로 표면이 거칠어지며, 여러 원자층의 Au가 시야 내 공존하고 매립 기포가 여전히 식별됩니다. 9ML 필름(그림 1c)은 뚜렷한 3차원 섬(~10nm 측면 크기)을 형성하여 거칠기를 크게 증가시킵니다. 1050K 어닐링으로 원자적으로 평탄한 테라스가 복원됩니다(그림 2a,b). 5ML 필름은 장거리 질서 없는 무작위 물결무늬(<0.05nm 진폭)를 보이는 반면, 9ML 필름은 삼각형 모티프를 가진 고도로 규칙적인 물결무늬 네트워크를 보입니다.

그림 2c는 어닐링된 9ML 필름과 단결정 Au(111) 표면을 비교합니다. Au(111)는 익숙한 22×√3 청어뼈를 보이며 유사한 높이 변조(~0.05nm)를 가집니다. 반면 9ML 필름의 물결무늬는 벌크 Au에서 보이는 장거리 주기성이 없습니다. 이 구조를 탐구하기 위해 큰 테라스를 이미징했습니다(그림 3a) 그리고 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행했습니다(그림 3b). 1차 FFT 스팟은 ~4.6nm 주기(범위 4.44-4.76nm)의 육방 격자에 해당합니다. 더 작은 영역(그림 3d)은 ~5nm 초구조 단위 세포를 보여주며, 물결무늬 진폭 ~0.03nm와 기저 원자 격자와 초구조 벡터 사이의 미세한 각도 불일치를 드러내어 긴장된 최상층을 시사합니다.

이러한 관찰은 계면 변형과 어닐링 온도가 표면 재구성을 결정함을 나타냅니다. 5ML 필름은 무질서를, 9ML 필름은 단거리 질서 4.6nm 초구조를, 벌크 Au(111)는 고전적 청어뼈를 보입니다. 첫 두 층의 격자 상수가 벌크 값과 다를 가능성이 있고 계면 합금화도 역할을 할 수 있으므로[26], 정확한 원자 모델은 불분명합니다. 추가 회절 연구와 제어된 STM 측정이 이러한 모호성을 해결하는 데 필요합니다.

4.6nm 초구조의 잠재적 응용은 Au(111) 청어뼈와 유사합니다: 다른 측면 주기성과 대칭성을 가진 규칙적 분자 어레이용 나노템플릿으로, 표면 템플릿 나노제작의 범위를 확장할 수 있습니다.

결론

STM 연구 결과, Ru(0001) 위 5ML Au는 무질서한 물결무늬를 생성하는 반면, 9ML은 평균 평면 내 주기 4.6±0.4nm의 단거리 질서 육방/사각 초구조를 생성합니다. 이 물결무늬는 벌크 Au(111) 청어뼈와 유사하나 박막의 독특한 변형 상태에서 기인합니다. 정확한 원자 기하학 결정에는 회절 실험과 어비니시오 모델링이 필요합니다.

약어

ML:

단일층

RT:

실온

STM:

주사 터널링 현미경

UHV:

초고진공