[논문 리뷰] Moiré-free ultrathin iron oxide film: FeO(111) on Ag(111)

Mikołaj Lewandowski, Tomasz Pabisiak외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 03.

Surface and Thin Film Phenomena참고 문헌 66인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 제어된 분자빔 에pitaxial(EBE)을 통해 Moiré 초구조가 없는 초박공한 FeO(111) 박막을 Ag(111) 기질 상에 성장시키는 방법을 제시한다. 주사터널현미경(STM), LEED 및 XPS는 완벽한 구조적 질서를 확인하였고, DFT 계산은 산화물 계층이 Ag(111) 격자에 완전히 적응하여 완전히 완화된 상태를 취함을 보여주며, 자유상태 FeO와 유사한 전자적, 자성 및 촉매 성질에 대한 모델 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Ultrathin iron oxide films epitaxially grown on the (111)- and (0001)-oriented metal single crystal supports exhibit unique electronic, catalytic and magnetic properties not observed for the corresponding bulk oxides. These properties originate mainly from the presence of Moiré superstructures which, in turn, disqualify ultrathin films as model systems imitating bulk materials. We present a route for the preparation of a close-packed Moiré-free ultrathin iron oxide film, namely FeO(111) on Ag(111). Experimental scanning tunneling microscopy (STM), low energy electron diffraction (LEED) and x-ray photoelectron spectroscopy (XPS) results confirm perfect structural order in the film. Density functional theory (DFT)-based calculations suggest full relaxation of the oxide layer that adopts the atomic lattice of the crystalline support and exhibits properties similar to those of a free-standing FeO. The results open new pathways for model-type studies of electronic, catalytic and magnetic properties of fully-relaxed iron oxide films and related systems.

연구 동기 및 목표

• 전자적 및 자성 성질을 왜곡시키는 Moiré 초구조가 없는 초박공한 철산화물 박막을 성장시키는 방법을 개발하기 위해.
• 기질 Ag(111) 상에 완벽한 구조적 질서를 가진 밀집된 FeO(111) 박막을 확보하여 부피상 유사 행동을 위한 신뢰할 수 있는 모델 시스템을 제공하기 위해.
• 외재적 산화물 박막에서 격자 불일치에 기인한 응력과 초구조의 영향을 제거하기 위해.
• 완화된, 자유상태 유사 구조에서의 철산화물 FeO의 본질적 전자적, 촉매적 및 자성 성질을 정확히 조사할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 초고진공 조건 하에서 제어된 분자빔 에pitaxial(EBE)을 사용하여 Ag(111) 기질 상에 FeO(111)를 성장시켰다.
• 표면 형태와 장거리 질서 및 Moiré 패tern의 부재를 확인하기 위해 주사터널현미경(STM)을 활용하였다.
• 박막의 결정성 질서와 표면 주기성을 확인하기 위해 저에너지 전자 회절(LEED)을 사용하였다.
• FeO 계층의 화학적 상태와 스토이히오메트리의 확인을 위해 X선 광전자 분광법(XPS)을 사용하였다.
• FeO 박막의 구조적 완화 및 전자적 성질 분 析를 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• DFT 모델링은 FeO 계층이 Ag(111) 격자에 완전히 적응하도록 전체적으로 완화되도록 하였으며, 자유상태 FeO 구조를 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ag(111) 기질 상에 초구조 형성을 보이지 않는 Moiré 초구조가 없는 초박공한 FeO(111) 박막을 성장시킬 수 있는가?
• RQ2 FeO(111) 박막이 Ag(111) 격자에 완전히 구조적 완화를 보이며 적응하는가?
• RQ3 이러한 박막은 자유상태 FeO와 유사한 성질을 가지는 모델 시스템으로 기능할 수 있는가?
• RQ4 격자 불일치와 응력은 초박공한 산화물에서 Moiré 패턴 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 완화된 FeO 박막의 전자적 및 자성 성질은 부피상 또는 응력이 가해진 FeO와 비교하여 어떻게 다른가?

주요 결과

• STM 영상은 주기적인 초구조가 없는 완벽하게 질서정연한 표면을 확인하였다.
• LEED 패턴은 Ag(111) 격자와 일치하는 장거리 결정성 질서와 (1×1) 표면 주기성을 확인하였다.
• XPS 측정은 Fe³⁺로의 탈산화가 검출되지 않는 Fe²⁺ 상태의 FeO 상 존재를 확인하였다.
• DFT 계산은 FeO 계층이 Ag(111) 기질의 격자 상수를 완전히 흡수하여 응력이 제거된 상태로 완전히 완화됨을 보여주었다.
• 완화된 FeO 박막은 자유상태 FeO(111) 단일층과 유사한 전자적 및 구조적 성질을 나타내었다.
• Moiré 패턴의 부재는 박막이 FeO의 본질적 성질을 연구하기 위한 신뢰할 수 있는 모델 시스템으로 기능할 수 있음을 가능하게 하였다.