Au/Ru(0001)薄膜纳米结构化：高度调制与超结构形成

摘要

我们呈现扫描隧道显微镜（STM）研究，考察名义厚度5和9单层（ML）的Au薄膜在Ru(0001)上，300 K沉积后1050 K退火。9 ML薄膜展现新的横向周期性超结构：振幅达0.03±0.01 nm的微弱高度涟漪，横向周期4.6±0.4 nm。超结构显示长程无序。

背景

体相Au(111)表面以其22×√3重构闻名，可描述为由弹性应变畴产生的鱼骨纹[1-7]。表面应力主导此重构，其受台阶、缺陷或薄膜应变修饰已被广泛记录[8-12]。Au/Ru(0001)体系中，晶格失配（Ru 0.271 nm vs Au 0.288 nm）引入额外界面应力，可改变重构。早期超薄Au膜（≤3 ML）研究揭示：~420 K沉积、790 K快速退火下，1 ML呈巨型100 nm鱼骨纹，2 ML呈三角超结构[16]。室温亚单层生长形成分形或树枝状岛[17,18]。然而，较厚Au膜在Ru(0001)上的行为未被探索。我们旨在通过研究300 K沉积、1050 K退火的5 ML和9 ML Au膜填补空白，该方案在早期工作中产生原子级平坦Au层[13-15]。

方法

所有实验在定制超高真空（UHV）腔室（基压<10⁻¹⁰ mbar）进行。单晶Ru(0001)（5×5×5 mm，Mateck）经1.5 keV Ar⁺溅射清洗后1100 K退火。残留碳经5×10⁻⁷ mbar O₂、1100 K暴露去除。Au（99.99%，Sigma-Aldrich）经电子束蒸发器（Omicron）从0.25 mm丝蒸发，速率1 ML/min，奥歇谱仪验证并按Au(NVV)/Ru(MNN)峰比校准。沉积后样品1050 K退火5 min。STM成像用VT-STM（Omicron）恒流模式室温下进行，PtIr（80/20%）尖端经机械切割制备并经高达10 V/300 nA电压/电流脉冲调节。(2×2)-O/Ru(0001)表面用于STM横向刻度校准。数据用Gwyddion（gwyddion.net）处理。

结果与讨论

图1展示Au沉积退火后Ru(0001)表面演化。洁净态（图1a）以原子级平坦台阶为主，偶有对应埋藏Ar气泡的凸起。沉积5 ML后（图1b），Volmer-Weber岛生长导致表面粗糙；视野内共存数个原子层Au，埋藏气泡仍可辨。9 ML膜（图1c）形成明显三维岛（~10 nm横向尺寸），粗糙度剧增。1050 K退火恢复原子级平坦台阶（图2a,b）。5 ML膜显示无长程序的随机涟漪（<0.05 nm振幅），而9 ML膜呈现高度规则的涟漪网络及三角图案。

图2c对比退火9 ML膜与单晶Au(111)表面。Au(111)显示熟悉的22×√3鱼骨纹，高度调制相当（~0.05 nm）。相反，9 ML膜涟漪缺乏体相Au的长程周期性。为探究此结构，我们成像大台阶（图3a）并快速傅里叶变换（FFT）（图3b）。一级FFT斑点对应六方晶格，周期~4.6 nm（范围4.44-4.76 nm）。较小区域（图3d）显示超结构单胞~5 nm，涟漪振幅~0.03 nm，超结构矢量与底层原子晶格间存在微小角度错配，暗示顶层受应变。

这些观察表明界面应变和退火温度决定表面重构。5 ML膜显示无序，9 ML膜呈短程有序4.6 nm超结构，体相Au(111)显示经典鱼骨纹。精确原子模型仍不清晰，因前两层晶格常数可能偏离体相值；界面合金化也可能发挥作用[26]。需进一步衍射研究和可控STM测量解决这些模糊性。

4.6 nm超结构的潜在应用类似Au(111)鱼骨纹：作为纳米模板用于不同横向周期性和对称性的规则分子阵列，可拓宽表面模板纳米制造范围。

结论

STM研究揭示：5 ML Au/Ru(0001)产生无序涟漪，9 ML产生短程有序六方/斜方超结构，平均面内周期4.6±0.4 nm。此涟漪类似Au(111)鱼骨纹，但源于薄膜独特应变态。确定精确原子几何需衍射实验和从头计算建模。

缩写

ML:

单层

RT:

室温

STM:

扫描隧道显微镜

UHV:

超高真空