Au/Ru(0001)薄膜のナノ構造化：高さ変調と超構造形成

概要

公称厚さ5および9単原子層（ML）のRu(0001)上Au薄膜を、300Kで堆積後1050Kでアニールし、走査トンネル顕微鏡（STM）で調査した。9ML膜は新しい側面周期的超構造を示す：最大0.03±0.01nmの振幅と4.6±0.4nmの側面周期を持つ微細な高さリップル。この超構造は長距離無秩序を示す。

背景

バルク結晶のAu(111)表面は、弾性ひずみドメインから生じるヘリンボーンパターンとしてよく記述される22×√3再構成で知られる[1-7]。表面応力がこの再構成を支配し、ステップ、欠陥、薄膜ひずみによるその変更が広く記録されている[8-12]。Au/Ru(0001)系では、格子ミスマッチ（Ru 0.271nm vs Au 0.288nm）が追加の界面応力を導入し、再構成を変化させる可能性がある。超薄膜Au（≤3ML）に関する先行研究では、~420Kで堆積し790Kでフラッシュアニールした1MLで巨大100nmヘリンボーン、2MLで三角超構造が明らかにされた[16]。室温でのサブ単原子層成長はフラクタルまたは樹状島を形成[17,18]。しかし、Ru(0001)上のより厚いAu膜の振る舞いは未探索であった。我々の以前の研究[13-15]で原子的に平坦なAu層を得たプロトコル（RT堆積、1050Kアニール）を用い、5MLと9ML Au膜を研究することでこのギャップを埋めることを目的とする。

手法

すべての実験はカスタム超高真空（UHV）チャンバー（ベース圧力<10⁻¹⁰ mbar）で実施。単結晶Ru(0001)（5mm×5mm×5mm、Mateck）を1.5keV Ar⁺スパッタリングと1100Kアニールで洗浄。残留炭素を5×10⁻⁷ mbar O₂曝露（1100K）で除去。金（99.99%、Sigma-Aldrich）を電子ビーム蒸発装置（Omicron）で0.25mmワイヤから1ML/分で蒸発、オーゲル分光法で検証しAu(NVV)/Ru(MNN)ピーク比で較正。堆積後、1050Kで5分アニール。STM像は定電流モードで室温でVT-STM（Omicron）で取得、PtIr（80/20%）チップを機械切断で調製し、10V/300nAまでの電圧/電流パルスでコンディショニング。(2×2)-O/Ru(0001)表面でSTM横スケールを較正。データはGwyddion（gwyddion.net）で処理。

結果と考察

図1はAu堆積とアニールによるRu(0001)表面の進化を示す。清浄状態（図1a）では、単原子ステップで分離された原子的に平坦なテラスが支配的で、埋没Ar気泡に対応する偶発的な突起がある。5ML堆積後（図1b）、Volmer-Weber島成長で表面が粗くなり、視野内に複数原子層のAuが共存し、埋没気泡は依然として識別可能。9ML膜（図1c）は顕著な三次元島（~10nm側面サイズ）を形成し、粗さが劇的に増大。1050Kアニールで原子的に平坦なテラスが回復（図2a,b）。5ML膜は無秩序なリップル（<0.05nm振幅）を示し長距離秩序なし、一方9ML膜は三角モチーフを持つ高度に規則的なリップルネットワークを示す。

図2cはアニール済み9ML膜と単結晶Au(111)表面を比較。Au(111)はおなじみの22×√3ヘリンボーンを示し、比較可能な高さ変調（~0.05nm）。対照的に、9ML膜のリップルはバルクAuで見られる長距離周期性を欠く。この構造を探るため、大きなテラスを撮像（図3a）し高速フーリエ変換（FFT）を実行（図3b）。一次FFTスポットは~4.6nm周期（範囲4.44-4.76nm）の六方格子に対応。より小さな領域（図3d）では~5nmの超構造単位胞が明らかになり、リップル振幅~0.03nmと超構造ベクトルと基盤原子格子間のわずかな角度ミスマッチが見られ、歪んだ最表層を示唆。

これらの観察は界面ひずみとアニール温度が表面再構成を決定することを示す。5ML膜は無秩序、9ML膜は短距離秩序4.6nm超構造、バルクAu(111)は古典的ヘリンボーンを示す。最初の2層の格子定数がバルク値と異なる可能性があり、界面での合金化も役割を果たす可能性があるため[26]、正確な原子モデルは不明瞭。更なる回折実験と制御されたSTM測定でこれらの曖昧さを解決する必要がある。

4.6nm超構造の潜在的応用はAu(111)ヘリンボーンを反映する：異なる側面周期性と対称性を持つ規則的分子アレイのナノテンプレートとして、表面テンプレートナノ製造の範囲を拡大できる。

結論

STM研究により、Ru(0001)上5ML Auは無秩序リップルを生成、9MLでは平均面内周期4.6±0.4nmの短距離秩序六方/斜方超構造が得られることを明らかにした。このリップリングはAu(111)ヘリンボーンに類似するが、薄膜の異なるひずみ状態から生じる。正確な原子幾何学の決定には回折実験とアブイニシオモデリングが必要である。

略語

ML:

単原子層

RT:

室温

STM:

走査トンネル顕微鏡

UHV:

超高真空