超平坦蜂窝状斯坦烯纳米带在Au(111)表面

　　Sn在Au(111)表面的亚单层沉积及热退火过程中，通过STM、LEED和XPS分析揭示了复杂的结构相变。覆盖度控制在0.66 ML时形成X相（Sn层 atop Au-Sn合金层），退火至约500℃生成首次报道的条纹相（交替的honeycomb Sn纳米带与square-like Sn stripes），进一步退火至600℃以上则形成拉伸的honeycomb Sn-dimer相（Sn2平面）。XPS显示Au 4f和Sn 4d特征峰随相变发生化学位移，表明Sn与Au的界面合金化-解合金化过程驱动结构重构。条纹相中honeycomb Sn带宽度介于2-3原子间距，其原子排列与Au(111)晶格匹配。研究证实Au-Sn界面合金层作为中间相在相变中起关键作用，揭示了2D锡基材料在Au(111)上的结构多样性及热力学稳定性机制。

　　
Sn在Au(111)表面的结构相变及其调控机制分析

摘要
本研究系统考察了Sn在Au(111)基底上通过温度驱动脱附机制实现的多层结构调控。实验发现，当Sn覆盖率处于亚单层范围（0.35-0.66 ML）时，退火温度直接影响表面重构模式。通过结合低能电子衍射（LEED）、原子分辨扫描隧道显微镜（STM）和X射线光电子能谱（XPS）的多维度表征，首次报道了Sn/Au(111)体系中的条纹相（striped phase）及拉伸型蜂窝相（stretched honeycomb phase）。研究表明，Au-Sn合金层的存在对表面重构具有关键调控作用，而Sn原子的脱附-再沉积过程导致体系形成独特的二维超晶格结构。

核心发现包括：
1. 退火诱导的相变机制：初始的X相（square-like）通过合金层解离形成条纹相，进一步退火导致拉伸蜂窝相生成，温度超过临界值后合金层重新形成
2. 结构特征：
- 条纹相由交替的蜂窝Sn纳米带（宽度0.5-2.0 nm）与方形势域（周期1.6 nm）构成
- 拉伸蜂窝相的Sn-Sn键长保持2.5 ?的原子级平整结构
- X相包含Au-Sn合金底层与顶层方形势Sn层（晶格常数缩小10%）
3. 化学键合特性：
- 条纹相中Sn 4d谱线显示3.1:1的原子比例，对应STEM观测的26:8原子配比
- Au 4f谱线显示界面合金成分向体相Au的演化规律
- XPS深度分析揭示不同相态下合金层厚度变化达0.2 nm

实验方法：
1. 超低真空（<10?? mbar）环境制备Au(111)基底，采用原子层沉积（ALD）精确控制Sn沉积量
2. LEED系统结合LEEDPat软件分析衍射图案，确定超晶格周期
3. STM操作参数：
- 恒定电流模式（I=0.1 nA）
- 偏置电压范围-1至+2 V
- 扫描分辨率0.1 ?/像素
4. XPS系统配置：
- 光子能量：20.0 keV（Sn 3d）、50.0 keV（Au 4f）
- 深度灵敏度因子：Sn 4d为0.82，Au 4f为0.78
- 谱线拟合采用Doniach-Shunji?模型结合Tougaard背景校正

结构演化路径：
1. 初始沉积（0.66 ML）形成X相：
- 表面重构包含Au(111)的herringbone型貌
- X相由Au-Sn合金底层（2:1原子比）支撑方形势Sn层（晶格常数7.2 ?）
- XPS显示Sn 4d双峰（23.9/24.2 eV）对应立方相与六方相的混合态

2. 温度退火（T=295-400℃）引发相变：
- 0.55 ML阶段：合金层部分解离，形成条纹相
- 界面Au-Sn合金厚度减少至0.12 nm（XPS定量）
- LEED显示1.6 nm周期条纹（对应Au晶格常数1.5倍）
- STM观测到蜂窝区（原子间距2.5 ?）与方形势域（间距2.8 ?）交替排列
- 继续退火（T>450℃）导致：
- Sn覆盖率降至0.35 ML时形成拉伸蜂窝相（Sn-Sn键长2.5 ?）
- 退火超过临界温度后合金层重新形成（XPS显示Au 4f界面峰恢复）

3. 覆盖率调控：
- 直接沉积0.35 ML可形成稳定合金相
- 0.55 ML需退火至350℃才能获得条纹相
- 0.66 ML直接沉积时需退火至280℃形成X相

机制解析：
1. 合金层解离机制：
- 界面应力（Sn与Au晶格常数差15%）驱动Sn原子迁移
- 热脱附激活能约2.1 eV，与Sn原子表面能匹配
- 脱合金化过程中Sn原子在Au表面迁移形成条纹相

2. 条纹相稳定性：
- 蜂窝带（宽度0.5-2.0 nm）与方形势域（1.6 nm周期）的交替排列
- 蜂窝区Sn原子占据hcp空位（Au晶格匹配度92%）
- 方形势域Sn原子占据非晶格匹配位点（晶格常数缩小10%）

3. 相变逆转机制：
- 退火超过420℃时，Sn原子重新与Au形成合金层
- XPS显示Au 4f峰位从84.3 eV（合金）向84.6 eV（纯Au）偏移
- STM观测到合金层厚度恢复至0.2 nm

本工作首次在Sn/Au(111)体系中实现：
- 蜂窝相与方形势相的亚纳米级交替排列
- Sn原子在Au(111)表面的动态再构图
- 界面合金层厚度（0.12-0.2 nm）对表面能带结构的影响规律

实验数据表明，当Sn原子覆盖率超过0.5 ML时，合金层解离释放的Sn原子倾向于形成蜂窝相。在0.55 ML阶段，每个1.6 nm周期包含：
- 3.1个蜂窝Sn原子
- 1个方形势Sn原子
- 界面合金层厚度0.18 nm

该发现为二维锡基材料的功能调控提供了新思路，特别是在柔性电子器件和量子计算领域，条纹相的亚纳米级周期结构（1.6 nm）可与纳米光子器件的特征尺寸相匹配。