Nanostructuration de films minces Au/Ru(0001) : modulation de hauteur et formation de superstructure

Résumé

Nous présentons une investigation par microscopie à effet tunnel (STM) de films minces d'Au sur Ru(0001) d'épaisseurs nominales de 5 et 9 monocouches (ML), déposés à 300 K et ensuite recuits à 1050 K. Le film de 9 ML exhibe une nouvelle superstructure périodique latéralement : un ondulation de hauteur subtile allant jusqu'à 0,03 ± 0,01 nm d'amplitude et une période latérale de 4,6 ± 0,4 nm. La superstructure montre un désordre à longue portée.

Contexte

La surface Au(111) des cristaux massifs est renommée pour sa reconstruction 22 × √3, bien décrite comme un motif en arête de poisson résultant de domaines de contrainte élastique. La contrainte de surface gouverne cette reconstruction, et sa modification par des marches, des défauts ou la contrainte de film mince a été largement documentée. Dans les systèmes Au/Ru(0001), le désaccord de maille (0,271 nm pour Ru vs 0,288 nm pour Au) introduit une contrainte interfaciale additionnelle qui peut altérer la reconstruction. Des études antérieures sur des films d'Au ultraminces (≤ 3 ML) ont révélé une arête de poisson géante de 100 nm pour 1 ML et une superstructure triangulaire pour 2 ML déposés à ~420 K et recuits rapidement à 790 K. La croissance sous-monocouche à température ambiante conduit à des îles fractales ou dendritiques. Cependant, le comportement de films d'Au plus épais sur Ru(0001) n'a pas été exploré. Notre but est de combler cette lacune en étudiant des films d'Au de 5 ML et 9 ML déposés à température ambiante et recuits à 1050 K, un protocole qui a produit des couches d'Au atomiquement plates dans nos travaux antérieurs.

Méthodes

Toutes les expériences ont été réalisées dans une chambre ultra-vide (UHV) personnalisée (pression de base < 10⁻¹⁰ mbar). Un monocristal Ru(0001) (5 mm × 5 mm × 5 mm, Mateck) a été nettoyé par pulvérisation Ar⁺ à 1,5 keV suivie d'un recuit à 1100 K. Le carbone résiduel a été éliminé par exposition à O₂ à 5 × 10⁻⁷ mbar à 1100 K. L'or (99,99 %, Sigma-Aldrich) a été évaporé d'un fil de 0,25 mm par un évaporateur à faisceau d'électrons (Omicron) à 1 ML/min, vérifié par spectroscopie Auger et calibré par le rapport de pics Au (NVV) / Ru (MNN). Après dépôt, les échantillons ont été recuits à 1050 K pendant 5 min. L'imagerie STM a été réalisée avec un VT-STM (Omicron) en mode courant constant à température ambiante, utilisant des pointes PtIr (80/20 %) préparées par coupe mécanique et conditionnées par impulsions tension/courant jusqu'à 10 V/300 nA. La surface (2 × 2)-O/Ru(0001) a été utilisée pour calibrer l'échelle latérale du STM. Les données ont été traitées avec Gwyddion (gwyddion.net).

Résultats et discussion

La figure 1 montre l'évolution de la surface Ru(0001) lors du dépôt d'Au et du recuit. Dans l'état propre (figure 1a), des terrasses atomiquement plates séparées par des marches atomiques simples dominent, avec des protrusions occasionnelles correspondant à des bulles d'Ar enfouies. Après dépôt de 5 ML (figure 1b), la surface devient rugueuse en raison de la croissance d'îles Volmer-Weber ; plusieurs couches atomiques d'Au coexistent dans le champ de vue, et les bulles enfouies sont encore discernables. Un film de 9 ML (figure 1c) forme des îles tridimensionnelles prononcées (~10 nm de taille latérale), augmentant dramatiquement la rugosité. Le recuit à 1050 K restaure des terrasses atomiquement plates (figures 2a, b). Le film de 5 ML exhibe des ondulations aléatoires (< 0,05 nm d'amplitude) sans ordre à longue portée, tandis que le film de 9 ML montre un réseau d'ondulations hautement régulier avec des motifs triangulaires.

La figure 2c compare le film de 9 ML recuit avec une surface de monocristal Au(111). L'Au(111) affiche l'arête de poisson 22 × √3 familière avec une modulation de hauteur comparable (~0,05 nm). En revanche, les ondulations du film de 9 ML manquent de la périodicité à longue portée observée sur l'Au massique. Pour sonder cette structure, nous avons imagé une grande terrasse (figure 3a) et effectué une transformée de Fourier rapide (FFT) (figure 3b). Les taches de FFT du premier ordre correspondent à un réseau hexagonal avec une période de ~4,6 nm (intervalle 4,44-4,76 nm). Une zone plus petite (figure 3d) révèle une maille de superstructure de ~5 nm, avec des amplitudes d'ondulation de ~0,03 nm et un léger désaccord angulaire entre les vecteurs de superstructure et le réseau atomique sous-jacent, suggérant une couche superficielle tendue.

Ces observations indiquent que la contrainte interfaciale et la température de recuit dictent la reconstruction de surface. Le film de 5 ML montre du désordre, le film de 9 ML une superstructure à ordre à courte portée de 4,6 nm, tandis que l'Au(111) massique affiche l'arête de poisson classique. Le modèle atomique précis reste incertain car les constantes de maille des deux premières couches diffèrent probablement des valeurs massiques ; l'alliage à l'interface peut aussi jouer un rôle. Des études de diffraction supplémentaires et des mesures STM contrôlées sont nécessaires pour résoudre ces ambiguïtés.

Les applications potentielles de la superstructure de 4,6 nm reflètent celles de l'arête de poisson Au(111) : comme nanogabarit pour des réseaux moléculaires réguliers avec une périodicité et une symétrie différentes, ce qui pourrait élargir le champ de la nanofabrication templatée par surface.

Conclusions

Notre étude STM révèle que 5 ML d'Au sur Ru(0001) produit des ondulations désordonnées, tandis que 9 ML donne une superstructure hexagonale/oblique à ordre à courte portée avec une période moyenne dans le plan de 4,6 ± 0,4 nm. Cette ondulation est analogue à l'arête de poisson Au(111), mais provient d'un état de contrainte distinct dans le film mince. La détermination de la géométrie atomique exacte nécessitera des expériences de diffraction et de la modélisation ab initio.

Abréviations

ML :

Monocouche

RT :

Température ambiante

STM :

Microscopie à effet tunnel

UHV :

Ultra-vide