Summary
Bu iletişim kuralı U2O5 ince filmler elde edilen in situ hazırlanması ultra yüksek vakum altında sunuyor. İşlem oksidasyon ve Redüksiyon UO2 filmleri atomik oksijen ve Atomik hidrojen, sırasıyla içerir.
Abstract
Biz U2O5 film in situ Labstation, JRC Karlsruhe adlı geliştirilen modüler bir makine kullanarak üretmek için bir yöntem açıklanmaktadır. Filmler hazırlanması ve çalışmalar örnek yüzeylerin yüzey analitik yöntemlerle x-ışını ve ultraviyole photoemission gibi Labstation, aşırı koşullarda Laboratuvarı (PAMEC), altında aktinitleri özellikleri önemli bir parçası sağlar spektroskopisi (XPS ve UPS, sırasıyla). Tüm çalışmaları in situyapılır ve ultra yüksek vakum altında onların hazırlık bir analizleri odasına transfer filmleri, asla ortamla temasta vardır. Başlangıçta, bir film UO2 tarafından doğru akım (DC) sputter ifade tarafından atomik oksijen okside bir altın (Au) folyo üzerinde bir UO3 film üretmek için hazırlanmıştır. Bu ikinci sonra Atomik hidrojen ile U2O5' e düştü. Analizleri oksidasyon ve Redüksiyon, uranyum oksidasyon durumunu incelemek için yüksek çözünürlüklü photoelectron Spektroskopi kullanarak içeren her adımdan sonra gerçekleştirilir. Nitekim, oksidasyon ve Redüksiyon kez ve bu işlem sırasında belgili tanımlık substrate karşılık gelen sıcaklığını uranyum elde edilen oksidasyon durumunu üzerinde ciddi etkileri var. UO3 U2O5 tek U(V) ile azaltma durdurma oldukça zordur; ilk olarak, uranyum-oksijen sistemleri çok sayıda ara aşamada mevcut. İkinci olarak, oksidasyon Birleşik uranyum farklılaşma esas olan yoğunluğu doruklarına zayıf uydu tepeler üzerinde temel alır. Ayrıca, Denemecileri x-ışını spektroskopisi (XPS) %1 %5, atomik bir hassasiyetle bir tekniktir bilmelidir. Böylece, U4f, O1'ler ve değerlik bant (VB) elde edilen tüm spectra ile uranyum oksidasyon devlet tam bir resim elde etmek önemlidir. Labstation kullanılan programları ayarlama dahil dışında bir şirket tarafından geliştirilen bir doğrusal geçiş programı ( Tablo malzemelerigörmek) veri toplama ve sputter kaynak programları yanı sıra, her iki şirket içinde geliştirilen.
Introduction
Uranyum oksit nükleer atık ana bileşenidir ve onun suda U(IV) U(VI) için artan uranyum oksidasyon durumuna bağlıdır. Böylece, UO2 + x oksidasyon jeolojik depolama sırasında bir önemli ve önemli güvenlik sorunu1,2' dir. Bu çalışmalar uranyum oksit ve çevre3,4,5,6arasındaki yüzey etkileşimleri yöneten reaksiyon mekanizmaları motive eder. Bu bilgi tüm yönlerini atık nükleer yakıt döngüsü tedavi esastır.
Tetravalent iken ve hexavalent uranyum köklü ve yaygın olarak katı hal sistemleri, istikrarı uranyl kompleksler ve sulu çözüm olay rağmen olgusu uranyum için durum böyle değildir. Uranyum oksit, U(V) metastable bir orta olarak kabul edilir ve tek devlet olarak ama U(IV) ve U(VI) türü ile aynı olarak bildirilir. Bu nedenle, hiçbir şey U2O5kimyasal ve fiziksel özellikleri hakkında rapor edildi. Bu da ortak bir özelliği korozyon deneyler, örnekleri bir aşındırıcı ortamına sunulan kaynaklanmaktadır. Bu oksidasyon durumlar (oksidanlar için maruz) yüzey ve toplu örnek arasında sarp bir degrade oluşturur. Değişim analizi derinlik içinde yer alır. Böylece, farklı oksidasyon Birleşik aynı anda, karışık değerlik nedeniyle ancak bir yapay doku türdeş olmayan bir katmanda kaynaklanan eksik bir tepki olarak gözlenir. Bu iki sorun toplu örnekleri yerine ince filmler kullanılarak çözülebilir. Farklı sistemleri çok sayıda küçük başlangıç malzeme ile hazırlanmış olabilir ve hiçbir toplu olduğundan yüzey-toplu degrade önlenmiş olur.
Rapor burada yöntemi çok ince bir tabaka (atomik katmanlar üzerinde etkisiz bir substrat yatırılır bazı onlarca) in situ hazırlanması ve yüzeyi atmosferi ile temas olmadan analizi sağlar. Labstation (şekil 1), bir modüler olan avantajlarından biri bu makine ulaşan 10-9-10-11 mbar baskısı altında dinamik ultra yüksek vakum (UHV), sürekli farklı odaları oluşur. Odaları ince filmler, yüzey işleme (gaz adsorptions) ve karakterizasyonu hazırlanması için yüzey spectroscopies teknikleri [Örneğin, x-ışını photoelectron spektroskopisi (XPS), ultraviyole photoelectron spektroskopisi (UPS), düşük adanmıştır enerji elektron kırınım spektroskopisi (LEED)]. Örnekleri belirli örnek tutucular monte ve bir taşıma vagon kullanarak doğrusal transferi odası aracılığıyla farklı odaları arasında transfer. Onlar her an izole böylece tüm odaları bir vana ile Merkezi bu odaya bağlı (e.g., gaz dolum veya hizmet için). İyileşme örnek sahibi/örneği üzerinden doğrusal transferi odası her odası üzerinde monte edilmiş bir transfer çubuk tarafından gerçekleştirilir. Labstation temel sistem harici bir firma tarafından üretildi ( Tablo malzemelerigörmek). Uzantıları ve değişiklikler JRC Karlsruhe benzersiz bir ekipman sonuçlanan deneysel gereksinimleri bağlı olarak sonradan eklenmiş. Şirket içinde sputter ve veri toplama programları ile birlikte geliştirilen sputter kaynak (ince film hazırlık için bir çekirdek öğesi), uzantıları içerir. Örnek sahibi/örnek bir ortam atmosfer ultra yüksek vakum için yükleme yükü kilit odası özel birden çok örnek işleme gerçekleştirmek ve yaklaşık 10-8-10 Son Baskısı ulaşmak için süresini en aza indirmek için tasarlanmış yoluyla yapılır -9 mbar, böylece hava kirliliği sisteminin sınırlama. Labstation yıllık deneyim ve JRC Karlsruhe yüzey bilim alanında uzmanlık sonucudur.
Bir oda diğerine geçmek için örnek bir dış mıknatıs tarafından tahrik, bir bilgisayar programı (Şekil 2) ile kontrollü ve önceden tanımlanmış durdurma pozisyonlar önünde yaklaşık 7 m doğrusal transferi odası hareketli bir ulaşım vagon üzerine monte Chambers.
Bir benzer ya da yakın yükleme deneme yeniden oluşturulması zor olabilir. Ancak, bu yükleme JRC, uluslararası bilimsel uzmanlardan oluşan bir panel tarafından dış kullanıcıların hangi önerileri gözden göndermek için davet de açık erişim programı katkıda PAMEC laboratuvar katkıda bulunur. Kendi değerlendirme sonra kullanıcıların JRC tarafından işletilen altyapı erişmesine izin verir. Sonra istekleri ve işbirliği çerçevesinde, ince filmler analizleri ve JRC Karlsruhe dışında gerçekleştirilen deneyler için dış kullanıcılar için hazırlanabilir.
Bu raporda, biz oksidasyon ve Redüksiyon UO2 atomik oksijen ve Atomik hidrojen, sırasıyla içeren ardışık adımlarla elde edilen ince filmlerin detaylı bir protokol tek-valence U2O5 büyüme sağlar. UO2 ve UO2 + xfarklı olarak, doğrudan birikimi U2O5 ve UO3 film SAÇTIRMA DC tarafından yapılamaz. Bu nedenle, biz UO2 film birikimi devam, atomik oksijen kullanarak UO3 okside, sonra o U2O5 Atomik hidrojen ile azaltmak. Oksidasyon ve Redüksiyon kez ve numune sıcaklığı işlemi sırasında sonuç üzerinde etkiler ve master için önemlidir. Doğru kompozisyon için U(V) beklendiği gibi uranyum 5f1 elektronik yapılandırma, doğrudan ve nicel kanıt sağlar yüksek çözünürlüklü x-ışını photoelectron spektroskopisi ile doğrulandı.
Protocol
1. örnek sahibi hazırlık
Not: Örnek sahibi Labstation bir ortam atmosfer altında dışında işlenmesi eldiven ve temiz cımbız ile yapılmalıdır.
-
Örnek sahibi hazırlık ve ex situ Temizleme
- Altın (Au) folyo temiz (0.025 mm kalınlık, %99,99, bkz: Malzemeler tablo) boyutu 8 x 8 mm aseton ile. Yer bir paslanmaz çelik veya molibden sahibine folyoyu özellikle Labstation için tasarlanmış ve folyo üzerinde sahibi Punta Kaynak Tantal teller tarafından tamir.
- Örnek sahibi ve folyo tekrar aseton ile temiz ve Labstation giriş önce ortam atmosfer altında kurumaya bırakın.
Not: Altın folyo ile örnek sahibinin fotoğraf Resim 1ilave görüntülenir.
-
Labstation örnek sahibinin giriş
- Yük kilit odası ve garaj Odası (C1/C2) arasında UHV vanayı kapat. C1, kapı sabitleme vida, untighten ve basınç atmosferik basınç, kapıyı açılışı etkinleştirme için getirmek için azot Vanayı aç.
- Örnek sahibi C1 tanıtmak. Kapıyı, C1'in ve birincil vakum için Vanayı aç.
- Birincil vakum yaklaşık 1 mbar basınç ulaştıktan sonra birincil pompa Vana kapatın. Açık Vana bağlı UHV turbomoleküler pompa için hemen sonra. 10-7 mbar basınç ulaşıncaya kadar bekleyin.
Not: En az 1-3 h örnek fışkırması bağlı olarak, bu son adım atabilirsiniz.
-
Hazırlık odası (B1) aktarma
- Ulaşım vagon transfer odasından ara odasına taşımak ve C2 ve C3 arasında vanayı kapat. C1 ve C2 arasında bulunan Vanayı aç. Transfer çubuk, C1'in C2'örnek sahibi aktarmak için kullanın.
Not: C2 C1 ve Labstation tüm odaları için ortak doğrusal transferi odası arasında bir ara dolu bir yer. Zavallı vakum (10-7 mbar) vardır yük kilit Odası (yaklaşık 10-9 mbar) sisteminin diğerlerinden ayırır. Örnek transferler hızla yük kilit nispeten yoksul bir boşlukta, Labstation temiz tutarken gerçekleştirilebilir. - Örnek sahibi C2 arabada oturuyor sonra transfer çubuk C1 getir ve C1 ve C2 arasında vanayı kapat. C2 ve C3 doğrusal transferi odası arasında Vanayı aç.
- Vagon doğrusal transferi odasında konumlandırın ve kapak C2 ve C3 arasında kapatmadan önce sürüş mıknatıs bağlayın.
- Programın doğrusal transferi kontrolü (LTC, Şekil 2) vagon hazırlık odası B1 konumuna aktarmak için kullanın.
- Hazırlık odası B1 arasındaki doğrusal transferi odası Vanayı aç. Transfer çubuk Hazırlık odasında B1 örnek konumlandırmak için kullanın. Transfer çubuk başlangıç konumuna geri olduğunda, doğrusal transferi odası ve Hazırlık odası B1 arasında vanayı kapat.
- Ulaşım vagon transfer odasından ara odasına taşımak ve C2 ve C3 arasında vanayı kapat. C1 ve C2 arasında bulunan Vanayı aç. Transfer çubuk, C1'in C2'örnek sahibi aktarmak için kullanın.
-
Situ örnek sahibi temizlik
- 5 x 10-5 mbar basınç ulaşmak için argon Vanayı aç.
- Örnek sahibi yüzey iyon silahı yüzleşmeye dikey pozisyon (IG10/35, Tablo malzemelerigörmek).
- AR iyon SAÇTIRMA başlatmak için iyon silah geçiş (2 keV, 10 mA emisyon geçerli) ve 10 dk. anahtarı iyon silahı kapalı için temizlik tutun.
- 773 k örnek 5 min için tavlamak için e-beam ısıtıcı geçiş sonra ısıl örnek sahibi ile temas halinde getir. (10-7 mbar aralığı) içine ilk bir artış sonra basınç geri fışkırması tamamlama gösteren yaklaşık 10-8 mbar düşüyor. E-beam Kalorifer geçiş ve oda sıcaklığında (RT) aşağı örnek soğumaya bırakın.
- Hazırlık odası B1 ve doğrusal transferi odası arasında Vana açın ve sonra örnek sahibi transfer çubuk kullanarak wagon üzerinde konumlandırın. B1 odası vanayı kapat.
-
Örnek sahibi karakterizasyonu
Not: Yüksek çözünürlüklü x-ışını photoelectron spektroskopisi (XPS) ölçümleri bir yarımküresel analizörü kullanılarak gerçekleştirilmiştir ( Tablo malzemelerigörmek). Bir mikro-odak kaynak monokromatör ile donatılmış ( Tablo malzemelerigörmek) ve 120 W çalışma Al Kα radyasyon üretmek için kullanılan (E = 1,486.6 eV). Spektrometre kalibrasyonu yapıldı 4f7/2 çizgi 83.9(1) eV bağlama enerji (BE), bir değer üreten bir Au metal ve 2 p3/2 çizgi Cu bir metal 932.7(1) istimal eV olmak.- Uzaktan kumanda LTC programı analiz odası A4 konumunu kullanarak vagon aktarın.
Not: 2 x 10−10 mbar analiz odasında arka plan baskı var. - Analizleri odası A4 Vanayı aç ve transfer çubuk örnek doğrusal transferi odasından analizleri odasına A4 çekmek için kullanabilirsiniz. Analiz odası A4 vanayı kapat.
- Örnek (şekil 3) satın alma programı kullanarak analiz konumuna aktarın.
- Soğutma su ile Spektrofotometre x-ışını kaynağı geçiş (anot gerilimi = 15 keV, emisyon geçerli = 120 mA).
- Satın alma programı (şekil 3) kullanarak veri toplama başlatın.
Not: Örnek konumuna getirilmesi maksimal sinyal yoğunluğu elde etmek için satın alma programı ile gerçekleştirilebilir.
Not: Photoemission spectra RT. muhafaza örnek yüzeyinden alınmıştır - Aşağıdaki parametreleri kullanarak bir genel bakış spektrum ölçümü Başlat: KEını 100 eV, KEfin = 1500 eV, = tarama zaman 300 = s, N ° puan 1,401, pass enerji = 50 eV, = yarık = 7 x 20 mm çapı, modu = 1,5 keV/orta alan modu.
Not: Yaklaşık 284.5 eV BE C1s zirvesinde yokluğu yüzey temiz olduğunu gösterir. - Au4f çekirdek seviyesinde spektrum edinimi aşağıdaki parametrelerle başlatmak: KEını 1,396.6 eV, KEfin = 1,406.6 eV, = zaman inceden inceye gözden geçirmek = 60 s, Puan 201, pass enerji = 30 eV, = yarık = 6 mm çapı, modu = 1,5 keV/orta alan modu .
Not: Bu ikinci ölçüm spektrum için karşılık gelen film kalınlığı değerlendirmek için altın folyo UO2 filmde devrilmesinden sonra karşılaştırılır. - Örnek sahibi (Au folyo) yüzey analiz sonra analiz odası A4 transfer çubuk kullanarak doğrusal transferi odasında vagon üzerinde örnek sahibi konumuna valfi açın.
- Uzaktan kumanda LTC programı analiz odası A4 konumunu kullanarak vagon aktarın.
2. ince Film Hazırlık
Not: Uranyum oksit ince film in situ uranyum metal hedef ve gaz karışımı Ar (6 N) ve O2 (4.5 N) kısmi basınç kullanarak doğru akım (DC) SAÇTIRMA tarafından hazırlanır.
- UO2 film birikimi
- Hazırlık odası B2 konumunu örnek sahibine uzaktan kumanda ile LTC programı kullanarak taşıma vagon aktarın.
- Hazırlık odası B2 valfi açın ve transfer çubuk ile B2 ortasında bulunan sputter kaynak altında örnek sahibi getirin.
Not: sputtering işleminden önce çekim sputter kaynağının kapalı olduğundan emin olun. - Doğrusal transferi odası B2 odasından yalıtmak için vanayı kapat. O zaman, O2 Vanayı aç ve oksijen kısmi basınç 2.5 x 10−5 mbar için ayarlayın. 5 x 10−3 mbar kısmi basınç ulaşmak için argon Vana gazı açın.
- Sputtering programı (şekil 4) aşağıdaki parametreleri girin kullanmak: biriktirme zaman 300 = s, uranyum hedef gerilim-700 V, uranyum hedef geçerli = = 2 mA, Isıtma filaman 3.3 V/3.9 A, filaman Çalışma voltajı = 40 V =.
Not: yaklaşık 120 için bekleyin sputter kaynak kapalı çekim ile fışkırtması, s. - Hemen çekim UO2 birikimi Au folyoyu izin vermek için sputter kaynağının açtıktan sonra Sayacı başlatmak.
Not: manyetik alanlar sabitleme olmadan düşük Ar basınçta çalışmak için 25-50 eV enerji (triyot kurulum) enjeksiyonları diyot plazmada korumak için etkinleştirilmiş olan. - Sonra 300 SAÇTIRMA durdurmak s, buna karşılık gelen kullanarak program ve Ar ve O2 gaz valfleri kapatın.
Not: Mavi ışık plazma kaybolur ve tüm sputtering parametreleri sıfıra düşecek.
Not: 10-8 mbar basınç Hazırlık odası B2 ulaşıncaya kadar bekleyin. - Hazırlık odasında B1 ve pürüzsüz bir örneğini tavlama için örnek getirmek, e-beam ısıtıcısını geçiş ve sıcaklık 573 K. için ayarla
Not: Isıtma durdurmadan önce 3-5 dk bekle.
- UO2 örnek karakterizasyonu
Not: örnek sahibi karakterizasyonu için açıklanan aynı yordamı için karakterizasyonu örnek XPS tarafından takip edilmelidir.- Hazırlık odası B1 ve örnek transfer çubuk kullanarak vagon aktarmak için doğrusal transferi odası arasında Vanayı aç. Transfer çubuk geri hazırlık odasına B1, daha sonra doğrusal transferi odasından ayrıştırmak için vanayı kapat.
- 1.5.1 1.5.6 adımlarda açıklanan aynı yordamı izleyin.
Not: Ek kirlilik tepeler (C1'ler, Çapraz bulaşma sputter kaynak konut üzerinden) hariç ve U:O (kabaca) kontrol genel bakış spektrum UO2 filmin kalitesini kontrolünü sağlar film sayısına oranı. - Edinimi Au4f çekirdek düzeyi (Adım 1.5.7 olduğu gibi benzer parametreler) başlatın.
- U4f, O1'lerve değerlik bant (VB) aşağıdaki parametreleri: parola enerji kullanarak edinme devam 30 eV, = yarık = 7 x 20 mm çapı, mod 1,5 = keV, orta alan.
U4f: KEını 1,066.6 eV KEfin = 1,126.6 eV tarama süresi = = 300 s N ° Puan 601 =
Ey1s: KEını 946.6 eV KEfin = 966.6 eV tarama süresi = = 300 s N ° Puan 201 =
BB: KEını 1,473.6 eV KEfin = 1,488.6 eV tarama süresi = = 1800 s N ° Puan 601 =
Not: UO2 film için elde edilen spectra şekil 5' te rapor edilir.
- UO2 atomik oksijen ile oksidasyon
Not: Atom akı ( Tablo malzemelerigörmek) için belirtilen > 20 kadar bir pozlama için karşılık gelen 1016 atomlar/cm2/s kabaca 10 Langmuirs s (i.e., 1.33 x 10−3 Pa•s).- Örnek hazırlık odasına B3 taşıma vagon aktarın. Hazırlık odası B3 valfi açın ve transfer çubuk ile örnek içinde B3 atom kaynağı önünde getirin. Doğrusal transferi odası odasından yalıtmak için vanayı kapat.
- Örnek sıcaklık sahibinin sıcaklık ulaşmak örnek izin vermek için 573 K. bekleyin 5 min için ayarlayın.
- Oksijen valfi açın ve kısmi basıncı 1.2 x 10-5 mbar O2için ayarlayın. Atom kaynak için soğutma su geçin.
- Atomik kaynağında geçin ve mevcut 20'ye ayarla anne. Örnek atom kaynağı ile okside için kesin zaman dikkat edin. Oksidasyon süresi çok kısadır, oksidasyon UO3 şekil 6' bildirildiği gibi eksik olabilir.
- UO2 tam oksidasyon UO3 içine ulaşmak ve atomik kaynak oksijen Vana kapatmadan önce geçiş yapmak için 20 dakika bekleyin. Hazırlık odası B3 baskısı 10-7 mbar olduğunda, doğrusal transferi odasında mevcut vagonumuz örnek aktarmak Vanayı aç. Sonra Hazırlık odası B3 vanayı kapat.
- UO3 oksidasyon UO2 atomik oksijen ile sonra elde edilen analiz
- Örnek aşağıdaki adımları 1.5.1 1.5.6 analizleri odasına transfer; sonra analizler için 2.2.4. adımda açıklandığı gibi aynı yordamı izleyin.
Not: UO3 karşılık gelen spectra Şekil 7' de raporlanır.
- Örnek aşağıdaki adımları 1.5.1 1.5.6 analizleri odasına transfer; sonra analizler için 2.2.4. adımda açıklandığı gibi aynı yordamı izleyin.
- Atomik hidrojen tarafından UO3 azaltılması
- Örnek hazırlık odasına B3 aktarmak için 2.3.1 ve 2.3.2 yapınız.
- Hidrojen Vanayı aç ve 3 x 10-5 mbar için kısmi basınç ayarlı. Atom kaynak için soğutma su geçin. Atomik kaynağında geçin ve geçerli 30-ayarla anne.
- 60 için bekleyin atomik kaynak geçiş yapmadan önce azaltma zaman s. Atomik kaynak ile örnek azaltmak için alınan tam olarak ne zaman dikkat edin. Azaltma zaman çok uzun ise, o zaman UO2 + x daha fazla UO2 ' ye şekil 8' de bildirildiği gibi azalır. Bu durum ortaya çıkarsa, (biz UO3almak için yaptığı gibi) örnek yine atomik oksijen ile okside gerekir, karşılık gelen kimin spectra Şekil 9' da rapor edilmektedir.
- UO3 Atomik hidrojen ile azalma sonra elde U2O5 analizi
- Örnek aşağıdaki adımları 1.5.1 1.5.6 analiz odası transfer; sonra analizler için 2.2.4. adımda açıklandığı gibi aynı yordamı izleyin.
Not: şekil 10' U4f, O1'ler, ve VB elde edilen spectra raporlanır. Eksik azaltma U2O5' e bir örnek olarak, şekil 6 gösterildiği gibi benzer spectra elde edilir.
- Örnek aşağıdaki adımları 1.5.1 1.5.6 analiz odası transfer; sonra analizler için 2.2.4. adımda açıklandığı gibi aynı yordamı izleyin.
Representative Results
U(V) tanımlaması karakteristik U4f kütleye eşlik eden uyanma uydu karakteristik bir enerji ile kolayca yapılabilir. Bağlama iç enerji kaybı işlemlerle ilişkili uydu göründüğü enerji uranyum oksidasyon durumuna bağlıdır.
Uranyum 4f temel düzey x-ışını photoemission spectra UO2 (kırmızı eğri), U(V) U2O5 (yeşil eğri) ve sonra uranyum metal (siyah eğri) sol U(0) için karşılaştırıldığında UO3 (pembe eğri), U(VI), U(IV) için kaydedilir Şekil 11parçası. Karşılık gelen O1s çekirdek düzeyi spectra superposed ve Şekil 11sağ kısmında bildirdi.
Şekil 11Merkezi parçası U4f7/2 çekirdek düzeyi tepeler uydu ve ana hat (alt yarısında) arasında görselleştirme (ΔE) enerji ayrılması sağlayan ana hatları (üst yarısı), superpose için kaymıştır. Uydu yoğunluğu azalır oksidasyon devlet artan ile enerji ayrımı, artar iken. Spectra yaklaşık 20 monolayers ince filmlerin içinde kalınlık elde edilmiştir. Uydu enerji en yüksek ve 4f5/2 (4f7/2) emisyon hattına parmak izi kadar uranyum atomu oksidasyon durumu için kullanılmıştır. Valence grup spectra UO2, U2O5ve üzerinde aynı filmleri elde UO3 şekil 12' rapor edilir.
İletişim kuralında tanımlanan spectra UO2 filmleri (şekil 5) Hazırlık odasında B2 ifade sonra elde edilen karşılık gelen. Bu film daha sonra atomik oksijen ile okside. Oksidasyon saate bağlı olarak, sonucu UO2 + x ( şekil 6' da belirlendiği şekilde) olabilir veya ( Şekil 7' de bildirildiği gibi) UO3 . Atomik azaltma UO3 hidrojen ile çok uzun ise, aynı zamanda, bu UO2 ' ye şekil 8' de bildirildiği gibi dönecektir. Bu durumda, reoxidation olarak Şekil 9 ' da rapor UO3 o U2O5, almak için daha uygun bir zaman ile şekil 10' görüntülendiği gibi azaltmadan önce yer almalıdır. Sonuçlar oksidasyon ve azaltma işlemleri tamamen tersinir olduğunu göstermektedir.
Resim 1 : Fotoğraf ve şematik Labstation makinenin geliştirilen JRC in situ yüzey bilim çalışmaları etkinleştirmek için Karlsruhe adlı. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Resim 2 : Ekran görüntüsü doğrusal transferi kontrol programı. Program boyunca farklı odası pozisyonlarda doğrusal transferi odası örnekleri (I V) taşıyan vagon aktarımına olanak tanır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3 : Satın alma programı ekran. Bir kez ölçüm koşulları tanıttı, ölçümler bir dizi X-ray jeneratörü geçtikten sonra otomatik olarak gerçekleştirilebilir. Örnek konum Penceresi'ni örnek analizler odasında konumlandırma sağlar. Sinyalin yoğunluğunu optimize etmek için x, y ve z boyunca ayarlama yapılabilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 4 : Screenshot sputter kumanda programı'nın. Şirket içinde geliştirilen bu programla sputtering koşulları seçilebilir. Tanımlanması için değişkenleri arasında Isıtma ve filament çalışma gerilimleri ve ilâ iki hedef gerilim vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 5 : U4f, O1'ler ve değerlik bant spectra yüksek çözünürlüklü x-ışını photoemission spektroskopisi ile ölçülen bir UO2 film devrilmesinden sonra. Tepe ve uydu pozisyonlar UO2 örnek özelliği vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 6 : U4f, O1'ler ve değerlik bant spectra oksidasyon UO2 yüksek çözünürlüklü x-ışını photoemission spektroskopisi tarafından ölçülen atomik oksijen ile sonra. Oksidasyon süresi çok kısa, böylece oksidasyon UO3 tamamlanmadı. Uydu ve tepe pozisyonları ve UO2 + x ve Şekil 7' de rapor değil UO3 özelliği vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7 : U4f, O1'ler ve değerlik bant UO2 film oksidasyon sonra atomik oksijen yüksek çözünürlüklü x-ışını photoemission spektroskopisi kullanılarak ölçülen spectra. Tepe ve uydu pozisyonlar UO3 örnek özelliği vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 8 : U4f, O1'ler ve değerlik bant UO3 Atomik hidrojen ile azalma sonra ölçülen spectra. Azaltma zaman çok uzun, böylece U2O5 daha fazla UO2' ye düşürülür. Uydu ve tepe pozisyonları UO2 ve şekil 10' rapor değil U2O5 örnek özelliği vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 9 : O1'ler ve değerlik grubu örnek U4f, elde edilen Şekil 8 ve yeniden UO3atomik oksijen ile okside. Uydu ve tepe pozisyonları UO3 örnek özelliği vardır. Azaltma ve oksidasyon süreçleri böylece tersine çevrilebilir. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 10 : U4f, O1'ler ve değerlik bant spectra UO3 film yüksek çözünürlüklü x-ışını photoemission spektroskopisi tarafından ölçülen Atomik hidrojen ile azalma sonra. Tepe ve uydu pozisyonlar U2O5 örnek özelliği vardır. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 11 : U4f ve uranyum metal (siyah eğri) U(0) için karşılaştırıldığında O1s core düzey x-ışını photoemission spectra U(IV), UO2 (kırmızı eğri), U(V) U2O5 (yeşil eğri) ve UO3 (pembe eğri), U(VI). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 12 : U(IV) Valence grup spectra UO2 (kırmızı eğri), U(V) U2O5 (siyah eğri) ve U(VI) UO3 (pembe eğri). Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Discussion
U2O5 / 30 monolayers (ML) ince filmler kalınlıkta, yüksek çözünürlüklü x-ışını photoemission spektroskopisi ile elde edilen karşılık gelen temel düzey spektroskopisi ile birlikte elde edilen ilk sonuçlar içinde bildirilen bir önceki yayın7. UO2 UO3 içine oksidasyon işlemi sırasında uranyum durumunu evrimi x-ışını photoelectron spectra kalınlıkta O:U oranı (Şekil 11, geniş bir alanda iki-50 kat ince filmlerin elde aracılığıyla bildirildi Şekil 12). Film oksidasyon ve film azaltma filmleri atomik oksijen ve Atomik hidrojen, sırasıyla açarak elde edilmiştir. Uranyum oksidasyon Amerika'dan IV VI Filmler polimerlerin onların küçük kalınlığı ve tepki sıcaklık nedeniyle doğruladı. Uranyum oksit ince film doğru akım ile JRC Karlsruhe adlı gelişmiş bir sputter kaynak SAÇTIRMA kullanarak bir substrat üzerine yatırılır. Sputter kaynağı Labstation tüm odaları gibi ultra yüksek vakum altında tutulan bir Odası kurulmuştur. UO2 doğrudan elde edilebilir olsa da, UO3 ve U2O5 filmler sadece atomik oksijen ve Atomik hidrojen ile daha fazla tedavi sonrasında elde edilir. Bağlama enerji ana tepeler ve uyduların konumlarını izin uranyum uranyum oksit filmlerde oksidasyon Devletleri arasındaki farklılaşma in situüretilen. Yüksek çözünürlüklü spektroskopi uydu bağlama enerjileri yakındır ve düşük yoğunluklarda olarak farklı oksidasyon Birleşik ayırt etmek gereklidir.
1948'de ilk kez8için saf olgusu uranyum, U2O5, tespit edilmiştir. Daha sonra onun sentez yüksek sıcaklık (673-1,073 K) ve yüksek basınç (30-60 bıçağını) UO2 ve U3O89karışımı dayalı tanımlanmıştır. Ancak, U2O5 ortam sıcaklığı ve basınç koşulları, kararlılığını ve varlığı, bir alt limit x düşündüren sorguya 0.56-0,6 U3O810 aşağıda tek fazlı bölge için = . Şimdiye kadar U2O5 yüksek basınç ve sıcaklık veya bir termo-azaltma işlemi sırasında hazırlanması tekrarlanabilir değildi; çoğu zaman, bir tek oksidasyon devlet için elde edilen örnekler atamak mümkün değildi. Bazı U2O5 toplu numune hazırlama ile birlikteliği U(V) U(IV) veya U(VI), U4O9 ve U3O8gelince UO2 veya UO3 karışımları ortaya çıktı. Örneğin, Teterin ve ark.11 U3O8 sülfürik asit Termal tedavi sonuçları U2O5' e ilgili olduğunu iddia eden bir helyum atmosferde ardından'döngülerine işlemi bildirdi. Bu sonuç kolayca kendi XPS spectra elde edilen iki tepeli yapısında nedeniyle söz konusu. U(V) ve U(VI) türlerinin bir karışımı U2O5için beklenen tek bir U(V) oksidasyon durumu oluşumu hariç sonuç açıklar.
Yöntemimiz hazırlık U(IV), U(VI) ve U(V) tek oksidasyon devletlerle uranyum oksit ince film hazırlanması sağlayan. Numune hazırlama işlemlerinin ultra yüksek vakum tutulan bir araç içinde yer in situ alır. Azaltma UO3 Atomik hidrojen tarafından UO2 ' ye devam etmez ama U(V) durdurulabilir bulundu. Zaman faktörü azaltma işlemi sırasında çok örnek sıcaklık yanı sıra önemlidir. Yüksek çözünürlüklü photoemission Spektrometre ile U2O5 saf bir örneğini içinde in situhazırlanabilir gösterildi. Daha kalın film hazırlama crystallographic yapısı ve toplu özellikleri ex situ teknikleri ile bakarak bir sonraki adım olmalıdır.
Disclosures
Yazarlar ifşa gerek yok.
Acknowledgments
Yazarlar hiçbir katkıda bulunanlar var.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1ary dry scroll vacuum pump | Agilent | SH-100 | All chambers except B1 |
| 1ary pump | EDWARDS | nXDS10i 100/240V | B1 chamber |
| Acetone | |||
| Acquisition programme | Developed in-house | ||
| Analyser | Specs | Phoibos 150 hemispherical | A4 chamber |
| Argon | BASI | 6N | |
| Atomic source | GenII plasma source | Tectra | B3 chamber |
| Au foil | Goodfellow | ||
| CasaXPS programme | CasaXPS | ||
| Gauge 1ary vacuum | PFEIFFER | TPR 280 (2011/10) | All chambers |
| Gauge 2ary vacuum | VACOM | ATMION ATS40C | All chambers |
| Hydrogen gas | BASI | 6N | |
| Ion gun source | Specs | IG10/35 | B1 chamber |
| Linear transfer programme | Specs | Program delivered with the station | |
| Origin programme | Origin | OriginPro 8.1SRO | |
| Oxygen gas | 6N | ||
| Sampler e-beam heater power supply | Specs | SH100 | B1 chamber |
| Sampler resistance heater | Made in-house | power supply + Eurotherm | B3 chamber |
| Sputtering programme | Developed in-house | ||
| Stainless steal or Molybdenum substrate | in house | ||
| Ta wire | Goodfellow | ||
| turbo pump | PFEIFFER | TC 400 | All chambers |
| Uranium target | in house | in house | Natural uranium target |
| Vacuum gauge controller | VACOM | MVC-3 | All chambers |
| X-ray source | Specs | XRC-1000 MF | Equipped with a monochromator |
References
- Shoesmith, D. W., Sunder, S., Hocking, W. H. Electrochemistry of UO2 nuclear fuel. Electrochemistry of Novel Materials. Lipkowski, J., Ross, P. N. , New York, N.Y. (1994).
- Shoesmith, D. W. Fuel corrosion processes under waste disposal conditions. Journal of Nuclear Matter. 282, 1-31 (2000).
- Gouder, T., Shick, A. B., Huber, F. Surface interaction of PuO2, UO2+x and UO3 with water ice. Topics in Catalysis. 56, 1112-1120 (2013).
- Cohen, C., et al. Water chemisorption on a sputter deposited uranium dioxide film - Effect of defects. Solid State Ionics. 263, 39-45 (2014).
- Seibert, A., et al. The use of the electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) in corrosion studies of UO2 thin film models. Journal of Nuclear Matter. 419, 112-121 (2011).
- Majumder, I., et al. Syntheses of U3O8 nanoparticles form four different uranyl complexes: Their catalytic performance for various alcohol oxidations. Inorganic Chimica Acta. 462, 112-122 (2017).
- Gouder, T., et al. Direct observation of pure pentavalent uranium in U2O5 thin films by high-resolution photoemission spectroscopy. Scientific Reports. 8, 1-7 (2018).
- Rundle, R. E., Baeziger, N. C., Wilson, A. S., MacDonald, R. A. The structures of the carbides, nitrides and oxides of uranium. Journal of the American Chemical Society. 70, 99 (1948).
- Hoekstra, H. R., Siegel, S., Gallagher, F. X. The uranium-oxygen system at high pressure. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 32, 3237 (1970).
- Kovba, L. M., Komarevtseva, N. I., Kuz'mitcheva, E. U. On the crystal structures of U13O34 and delta-U2O5. Radiokhimiya. 21, 754 (1979).
- Teterin, Y. A., et al. A study of synthetic and natural uranium oxides by X-ray photoelectron spectroscopy. Physics and Chemistry of Minerals. 7, 151-158 (1981).
