Structure, Morphology, and Dynamics of Quasicrystal Surfaces

Abstract

Aside from their fascinating structure with aperiodic long range order and conventionally forbidden rotational symmetries, quasicrystals possess outstanding surface properties. It is of great interest to learn whether or not surface phenomena observed in periodic crystals are relevant in these new class of material. To investigate this, high symmetry surfaces of two distinct types of quasicrystals were examined by various surface sensitive techniques capable of providing information in both real and reciprocal space. The investigated surfaces are the 10-fold and two inequivalent 2-fold surfaces of decagonal (d) Al71.8Ni 14.8Co13.4 and the 5-fold surface of icosahedral (i) Al71.5Pd21Mn8.5. The techniques employed are highly surface sensitive He atom scattering (both elastic and inelastic), high resolution spot profile analyzing low energy electron diffraction, and low temperature (6 K) scanning tunneling microscopy. The investigations focus on structure, morphology, and dynamics (phonons).

It is found that the surfaces can be prepared with high structural quality suitable for He diffraction. Both He and electron diffraction show that the topmost surface layer of the surfaces retains the full symmetry extrapolated from their respective bulk. The diffraction spots are very sharp and their positions are related by the golden mean revealing a perfect long range,quasicrystalline order. The observed diffraction patterns can be fully explained by the respective bulk reciprocal basis vectors.

Helium diffraction from the 10-fold d-Al-Ni-Co surface reveals an average terrace width on the order of 100 Å and a predominant step height of 2 Å. Scanning tunneling microscopy confirms this step morphology by showing a high density of rough 2 Å -steps. Terraces are found to be atomically flat, having a variety of 5-fold symmetric motives, and possessing a quasiperiodic long range order. In agreement with the bulk structure model, a rhombic tiling of a large surface region is identified.

The 2-fold surfaces of the d-Al-Ni-Co show a weak 16 Å periodicity in addition to the main 8 Å periodicity. The 2-fold (001¯10)surface is found to develop facets of (10000)-equivalent orientation due to a lower surface energy of the (10000)- compared to the as-cut (001¯10)-surface.

The first result of surface phonons on quasicrystals is presented. The 10-fold d-Al-Ni-Co and 5-fold i-Al-Pd-Mn surfaces are found to possess well-defined Rayleigh modes with isotropic sound velocity of about 3750 m/s and 3250 m/s, respectively. The observed sound velocities are in good agreement with calculations based on the respective bulk data.

Quasikristalle weisen neben ihrer faszinierenden Struktur, welche aperiodische langreichweitige Ordnung und konventionell verbotene Rotationssymmetrien verbindet, herausragende Oberflächeneigenschaften auf. Es ist von großem Interesse herauszufinden, ob Oberflächenphänomene, die in periodischen Kristallen zu beobachten sind, auch bei diesen neuen Materialien eine wichtige Rolle spielen. Dazu wurden Experimente an der zehnzähligen und den beiden inäquivalenten zweizähligen Oberflächen des dekagonalen Al-Ni-Co, sowie der fünfzähligen Oberfläche des ikosaedrischen Al-Pd-Mn durchgeführt. Mittels elastischer und inelastischer Helium Streuung, hochauflösender Elektronenbeugung (SPA-LEED) und Tieftemperatur Rastertunnelmikroskopie (STM) wurden Struktur, Morphologie und Dynamik (Phononen) der Oberflächen untersucht.

Es gelang, Oberflächen von extrem hoher struktureller Qualität zu präparieren, wie sie für Helium Streuung erforderlich sind. Sowohl Helium Streuung als auch Elektronenbeugung zeigen, dass die Oberflächen die vom Volumen extrapolierte Symmetrie aufweisen. Die Beugungsordnungen sind sehr scharf und ihre Lage im reziproken Raum skaliert mit τ, dem goldenen Schnitt. Die beobachteten Beugungsordnungen können mit Hilfe der reziproken Volumen Basisvektoren vollständig erklärt werden, was eine langreichweitige, quasikristalline Ordnung nachweist.

Helium Streuung an der zehnzähligen d-Al-Ni-Co Oberfläche zeigt eine mittlere Terrassenbreite von 100 Angstrom und eine Stufenhöhe von 2 Angstrom. Rastertunnelmikroskopie bestätigt diese Morphologie. Die Terrassen weisen eine Vielzahl von fünfzähligen Motiven auf, sind von rauhen Stufen begrenzt und besitzen eine quasikristalline, langreichweitige Ordnung. In Übereinstimmung mit dem Strukturmodell des Volumens konnte ein großflächiges, rhombisches Tiling identifiziert werden.

Die zweizähligen Oberflächen des d-Al-Ni-Co zeigen eine 8 Angstrom Periodizität und zusätzlich eine schwache 16 Angstrom Periodizität. Die zweizählige (001¯10) Fläche zeigt (10000) äquivalente Facetten, deren Ausbildung durch die niedrigere Oberflächenenergie der (10000) Fläche im Vergleich zur geschnittenen (001¯10) Fläche begünstigt wird.

Des weiteren werden die ersten Ergebnisse von Oberflächenphononen in Quasikristallen präsentiert. Die zehnzählige d-Al-Ni-Co und fünfzählige i-Al- Pd-Mn Fläche besitzen wohl definierte Rayleighmoden mit einer isotropen Schallgeschwindigkeit von 3750 m/s bzw. 3250 m/s. Die beobachteten Schallgeschwindigkeiten stimmen mit berechneten Werten auf Basis von Volumendaten überein.