Nanoestruturação de Filmes Finos Au/Ru(0001): Modulação de Altura e Formação de Superestrutura

Resumo

Apresentamos uma investigação por microscopia de tunelamento (STM) de filmes finos de Au em Ru(0001) com espessuras nominais de 5 e 9 monocamadas (ML), depositados a 300 K e subsequentemente recozidos a 1050 K. O filme de 9 ML exibe uma nova superestrutura periódica lateral: uma sutil ondulação de altura de até 0,03 ± 0,01 nm em amplitude e período lateral de 4,6 ± 0,4 nm. A superestrutura mostra desordem de longo alcance.

Introdução

A superfície Au(111) de cristais em massa é conhecida por sua reconstrução 22 × √3, bem descrita como padrão de espinha de peixe resultante de domínios de tensão elástica. A tensão superficial governa esta reconstrução, e sua modificação por degraus, defeitos ou tensão de filme fino foi extensamente documentada. Em sistemas Au/Ru(0001), o desajuste de rede (0,271 nm para Ru vs. 0,288 nm para Au) introduz tensão interfacial adicional que pode alterar a reconstrução. Estudos prévios em filmes ultrafinos de Au (≤ 3 ML) revelaram uma espinha de peixe gigante de 100 nm para 1 ML e uma superestrutura triangular para 2 ML depositados a ~420 K e recozidos rapidamente a 790 K. Crescimento sub-monocamada a temperatura ambiente leva a ilhas fractais ou dendríticas. No entanto, o comportamento de filmes mais espessos de Au em Ru(0001) não foi explorado. Nosso objetivo é preencher esta lacuna estudando filmes de 5 ML e 9 ML de Au depositados a RT e recozidos a 1050 K, protocolo que produziu camadas de Au atomicamente planas em nosso trabalho anterior.

Métodos

Todos os experimentos foram realizados em câmara de vácuo ultra-alto (UHV) personalizada (pressão base < 10⁻¹⁰ mbar). Um monocristal de Ru(0001) (5 mm × 5 mm × 5 mm, Mateck) foi limpo por sputtering de Ar⁺ de 1,5 keV seguido por recozimento a 1100 K. Carbono residual removido por exposição a O₂ a 5 × 10⁻⁷ mbar a 1100 K. Ouro (99,99%, Sigma-Aldrich) evaporado de fio de 0,25 mm por evaporador de feixe de elétrons (Omicron) a 1 ML/min, verificado por espectroscopia Auger e calibrado contra razão de pico Au (NVV) / Ru (MNN). Após deposição, amostras recozidas a 1050 K por 5 min. Imageamento STM realizado com VT-STM (Omicron) em modo corrente constante a temperatura ambiente, usando pontas PtIr (80/20%) preparadas por corte mecânico e condicionadas com pulsos de tensão/corrente até 10 V/300 nA. Superfície (2 × 2)-O/Ru(0001) usada para calibrar escala lateral do STM. Dados processados com Gwyddion (gwyddion.net).

Resultados e Discussão

A Figura 1 mostra evolução da superfície Ru(0001) após deposição e recozimento de Au. No estado limpo (Fig. 1a), terraços atomicamente planos separados por degraus atômicos únicos dominam, com protrusões ocasionais correspondentes a bolhas de Ar enterradas. Após deposição de 5 ML (Fig. 1b), superfície torna-se rugosa devido a crescimento de ilhas Volmer-Weber; várias camadas atômicas de Au coexistem no campo de visão, e bolhas enterradas ainda discerníveis. Filme de 9 ML (Fig. 1c) forma ilhas tridimensionais pronunciadas (~10 nm tamanho lateral), aumentando dramaticamente rugosidade. Recozimento a 1050 K restaura terraços atomicamente planos (Fig. 2a,b). Filme de 5 ML exibe ondulações aleatórias (< 0,05 nm amplitude) sem ordem de longo alcance, enquanto filme de 9 ML mostra rede de ondulações altamente regular com motivos triangulares.

Figura 2c compara filme de 9 ML recozido com superfície de monocristal Au(111). Au(111) exibe a familiar espinha de peixe 22 × √3 com modulação de altura comparável (~0,05 nm). Em contraste, as ondulações do filme de 9 ML carecem da periodicidade de longo alcance vista no Au em massa. Para sondar esta estrutura, imageamos um grande terraço (Fig. 3a) e realizamos transformada rápida de Fourier (FFT) (Fig. 3b). Pontos FFT de primeira ordem correspondem a rede hexagonal com período de ~4,6 nm (intervalo 4,44–4,76 nm). Área menor (Fig. 3d) revela célula unitária de superestrutura de ~5 nm, com amplitudes de ondulação de ~0,03 nm e leve desalinhamento angular entre vetores da superestrutura e rede atômica subjacente, sugerindo camada superior tensionada.

Estas observações indicam que tensão interfacial e temperatura de recozimento ditam a reconstrução superficial. Filme de 5 ML mostra desordem, filme de 9 ML superestrutura de curto alcance ordenado de 4,6 nm, enquanto Au(111) em massa exibe a clássica espinha de peixe. O modelo atômico preciso permanece incerto porque as constantes de rede das duas primeiras camadas provavelmente diferem dos valores de massa; ligação na interface também pode desempenhar papel. Estudos de difração adicionais e medições STM controladas são necessários para resolver estas ambiguidades.

Aplicações potenciais da superestrutura de 4,6 nm espelham as da espinha de peixe Au(111): como nanomotor para arrays moleculares regulares com diferente periodicidade lateral e simetria, o que poderia ampliar o escopo da nanofabricação templada por superfície.

Conclusões

Nosso estudo STM revela que 5 ML de Au em Ru(0001) produz ondulações desordenadas, enquanto 9 ML resulta em superestrutura hexagonal/oblíqua de curto alcance ordenado com período médio no plano de 4,6 ± 0,4 nm. Esta ondulação é análoga à espinha de peixe Au(111), mas surge de estado de tensão distinto no filme fino. Determinar a geometria atômica exata exigirá experimentos de difração e modelagem ab initio.

Abreviações

ML

Monocamada

RT

Temperatura ambiente

STM

Microscopia de tunelamento

UHV

Vácuo ultra-alto