Nanoestructuración de películas delgadas Au/Ru(0001): Modulación de altura y formación de superestructura

Resumen

Presentamos una investigación de microscopía de efecto túnel (STM) de películas delgadas de Au en Ru(0001) con espesores nominales de 5 y 9 monocapas (ML), depositadas a 300 K y recocidas posteriormente a 1050 K. La película de 9 ML exhibe una nueva superestructura periódica lateral: una sutil ondulación de altura de hasta 0,03 ± 0,01 nm en amplitud y un período lateral de 4,6 ± 0,4 nm. La superestructura muestra desorden de largo alcance.

Antecedentes

La superficie Au(111) de cristales masivos es conocida por su reconstrucción 22 × √3, bien descrita como un patrón de espina de pescado que resulta de dominios de deformación elástica. La tensión superficial gobierna esta reconstrucción, y su modificación por escalones, defectos o deformación de película delgada ha sido ampliamente documentada. En sistemas Au/Ru(0001), el desajuste de red (0,271 nm para Ru vs. 0,288 nm para Au) introduce tensión interfacial adicional que puede alterar la reconstrucción. Estudios previos en películas ultrafinas de Au (≤ 3 ML) revelaron una espina de pescado gigante de 100 nm para 1 ML y una superestructura triangular para 2 ML depositadas a ~420 K y recocidas instantáneamente a 790 K. El crecimiento sub-monocapa a temperatura ambiente lleva a islas fractales o dendríticas. Sin embargo, el comportamiento de películas de Au más gruesas en Ru(0001) no se ha explorado. Nuestro objetivo es llenar este vacío estudiando películas de Au de 5 ML y 9 ML depositadas a RT y recocidas a 1050 K, un protocolo que produjo capas de Au atómicamente planas en nuestro trabajo anterior.

Métodos

Todos los experimentos se realizaron en una cámara de ultra-alto vacío (UHV) personalizada (presión base < 10⁻¹⁰ mbar). Un monocristal Ru(0001) (5 mm × 5 mm × 5 mm, Mateck) se limpió por pulverización de Ar⁺ a 1,5 keV seguido de recocido a 1100 K. El carbono residual se eliminó por exposición a O₂ a 5 × 10⁻⁷ mbar a 1100 K. El oro (99,99 %, Sigma-Aldrich) se evaporó desde un hilo de 0,25 mm por un evaporador de haz de electrones (Omicron) a 1 ML/min, verificado por espectroscopía Auger y calibrado contra la relación de picos Au (NVV) / Ru (MNN). Tras la deposición, las muestras se recocieron a 1050 K durante 5 min. La obtención de imágenes STM se realizó con un VT-STM (Omicron) en modo de corriente constante a temperatura ambiente, usando puntas de PtIr (80/20 %) preparadas por corte mecánico y acondicionadas con pulsos de voltaje/corriente hasta 10 V/300 nA. La superficie (2 × 2)-O/Ru(0001) se usó para calibrar la escala lateral del STM. Los datos se procesaron con Gwyddion (gwyddion.net).

Resultados y Discusión

La Figura 1 muestra la evolución de la superficie Ru(0001) tras la deposición y recocido de Au. En estado limpio (Fig. 1a), terrazas atómicamente planas separadas por escalones atómicos simples dominan, con protuberancias ocasionales que corresponden a burbujas de Ar enterradas. Tras la deposición de 5 ML (Fig. 1b), la superficie se vuelve rugosa debido al crecimiento de islas Volmer-Weber; varias capas atómicas de Au coexisten dentro del campo de visión, y las burbujas enterradas siguen siendo discernibles. Una película de 9 ML (Fig. 1c) forma islas tridimensionales pronunciadas (~10 nm de tamaño lateral), aumentando dramáticamente la rugosidad. El recocido a 1050 K restaura terrazas atómicamente planas (Fig. 2a,b). La película de 5 ML exhibe ondulaciones aleatorias (< 0,05 nm de amplitud) sin orden de largo alcance, mientras que la película de 9 ML muestra una red de ondulaciones altamente regular con motivos triangulares.

La Figura 2c compara la película de 9 ML recocida con una superficie de monocristal Au(111). El Au(111) muestra la familiar espina de pescado 22 × √3 con modulación de altura comparable (~0,05 nm). En contraste, las ondulaciones de la película de 9 ML carecen de la periodicidad de largo alcance vista en el Au masivo. Para sondear esta estructura, obtuvimos imágenes de una gran terraza (Fig. 3a) y realizamos una transformada rápida de Fourier (FFT) (Fig. 3b). Los puntos FFT de primer orden corresponden a una red hexagonal con un período de ~4,6 nm (rango 4,44-4,76 nm). Un área más pequeña (Fig. 3d) revela una celda unitaria de superestructura de ~5 nm, con amplitudes de ondulación de ~0,03 nm y un ligero desajuste angular entre los vectores de superestructura y la red atómica subyacente, sugiriendo una capa superior tensionada.

Estas observaciones indican que la tensión interfacial y la temperatura de recocido dictan la reconstrucción de la superficie. La película de 5 ML muestra desorden, la de 9 ML una superestructura de orden de corto alcance de 4,6 nm, mientras que el Au(111) masivo muestra la clásica espina de pescado. El modelo atómico preciso permanece incierto porque las constantes de red de las dos primeras capas probablemente difieren de los valores masivos; la aleación en la interfaz también puede jugar un papel. Estudios de difracción adicionales y mediciones STM controladas son necesarias para resolver estas ambigüedades.

Las aplicaciones potenciales de la superestructura de 4,6 nm reflejan las de la espina de pescado Au(111): como nanotemplate para arrays moleculares regulares con una periodicidad y simetría lateral diferente, lo que podría ampliar el alcance de la nanofabricación templada por superficie.

Conclusiones

Nuestro estudio STM revela que 5 ML de Au en Ru(0001) produce ondulaciones desordenadas, mientras que 9 ML produce una superestructura hexagonal/oblicua de orden de corto alcance con un período en el plano promedio de 4,6 ± 0,4 nm. Esta ondulación es análoga a la espina de pescado Au(111), pero surge de un estado de deformación distinto en la película delgada. Determinar la geometría atómica exacta requerirá experimentos de difracción y modelado ab initio.

Abreviaturas

ML:

Monocapa

RT:

Temperatura ambiente

STM:

Microscopía de efecto túnel

UHV:

Ultra-alto vacío