Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

U2O5 фильм подготовка через UO2 осаждения путем распыления постоянного тока и последовательных окисления и сокращения с атомарного кислорода и атомарного водорода

Published: February 21, 2019 doi: 10.3791/59017
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1European Commission, Joint Research Centre, Directorate for Nuclear Safety and Security

Summary

Этот протокол свидетельствует подготовка U2O5 тонких пленок полученные в situ под ультра-высокого вакуума. Этот процесс включает окисления и сокращение UO2 фильмов с атомарного кислорода и атомарный водород, соответственно.

Abstract

Мы описываем метод производить U2O5 фильмов на месте с помощью Labstation, модульная машина, разработанная в СИЦ Карлсруэ. Labstation, неотъемлемой частью свойства актиноиды при экстремальных условиях лаборатории (PAMEC), позволяет подготовка фильмов и исследования образца поверхностей с использованием поверхности аналитических методов, например рентгеновских и ультрафиолетовых фотоэмиссионный спектроскопия (XPS и UPS, соответственно). Все исследования производятся на месте, и фильмов, переданы под ультра-высокого вакуума от их подготовки анализа камере, никогда не соприкасаются с атмосферой. Первоначально фильм UO2 подготовленный постоянного тока (DC) распыления осаждения на золотой фольги (АС), затем окисляется атомарного кислорода производить UO3 фильм. Эта последняя затем снижается с атомарного водорода U2O5. Анализы проводятся после каждого шага, с участием окисление и восстановление, используя разрешением фотоэлектронная спектроскопия изучения состояния окисления урана. Действительно окисление и восстановление раз и соответствующей температуры субстрата в ходе этого процесса имеют серьезные последствия в результате окисления урана. Остановить сокращение UO3 U2O5 с одной U(V) является довольно сложной задачей; Во-первых урана кислородные системы существуют в многочисленных промежуточных этапов. Во-вторых дифференциация окисления урана основана главным образом на спутниковое вершины, вершины которых интенсивности являются слабыми. Кроме того экспериментаторов должно быть известно, что рентгеновской спектроскопии (XPS) техника с атомной чувствительность от 1% до 5%. Таким образом важно получить полную картину состояния окисления урана с всей спектров, полученных на U4f, O1s и валентной зоны (VB). Программы, используемые в Labstation включают в себя линейной передачи программы, разработанной за пределами компании (см. Таблицу материалы) а также сбор данных и программы распыления источника, оба собственной разработки.

Introduction

Оксид урана является основным компонентом ядерных отходов, и его растворимости в воде связан с урана окисления, увеличившись с U(IV) до U(VI). Таким образом UO2 + x оксидации во время геологического хранения является важным и решающим безопасности выпуск1,2. Это мотивирует исследования реакции механизмов, регулирующих поверхности взаимодействия оксидов урана и окружающей среды3,4,5,6. Эта информация имеет существенно важное значение для всех аспектов обработки отходов от ядерных топливных циклов.

Хотя четырехвалентный и шестивалентный урана устоявшихся и общие как твердотельные системы, это не дело для пятивалентных урана, несмотря на его стабильность в уранила комплексов и вхождение в водном растворе. В окислы урана U(V) считается метастабильных среднего, и это не сообщается как отдельного государства, а скорее сосуществует с U(IV) и U(VI) видов. По этой причине ничего не сообщила о химических и физических свойствах U2O5. Это также объясняется общей чертой коррозии экспериментов, в которых образцы подвергаются воздействию агрессивной среды. Это создает крутой градиент в степени окисления между поверхностью (действию окислителей) и основная часть образца. Изменение происходит в глубине анализа. Таким образом различные степени окисления наблюдаются одновременно, не из-за смешанного валентности, но как артефакт неполной реакции приводит в гетерогенных слое. Эти две проблемы могут быть решены с помощью тонких пленок вместо массовых проб. Большое количество различных систем может быть подготовлен с маленькой исходным материалом, и поверхности объемные градиент избегать, потому что нет никаких массовых.

Здесь метод позволяет в situ подготовка очень тонкого слоя (несколько десятков атомных слоев, хранение на инертной подложке) и анализ его поверхности без контакта с атмосферой. Это одно из преимуществ Labstation (рис. 1), который является модульной машины состоит из различных камер под динамический ультра-высокого вакуума (СВВ), достигнув давления 10-9-10-11 мбар. Палат предназначены для приготовления тонких пленок, обработка поверхности (газ adsorptions) и характеризации методами [например, Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS), ультрафиолетовое фотоэлектронная спектроскопия (UPS), низким поверхности рентгеновская спектроскопия энергии дифракции спектроскопия (LEED)]. Образцы монтируются на Держатели конкретных образцов и передаваемых между различными камерами через камеру линейной передачи с помощью транспорта вагон. Все камеры подключены к этой центральной камеры через клапан, так что они могут быть изолированы в любой момент (например., для наполнения или обслуживания газа). Оздоровление держатель/образец из линейной передачи камеры осуществляется путем передачи стержень установлен на каждой камере. Было изготовлено Labstation базовой системы внешней компанией (см. Таблицу материалы). Расширения и модификации были добавлены впоследствии в зависимости от экспериментальных требования, в результате уникального оборудования в СИЦ Карлсруэ. Расширения включают в себя источник распыления (основной элемент для приготовления тонких пленок), которая была разработана в доме вместе с программами сбора данных и распыления. Загрузка образца держатель/образца от окружающей атмосферы для ультра-высокого вакуума делается через шлюзовую камеру нагрузки специально разработан для выполнения нескольких пробами и свести к минимуму время для достижения конечного давления около 10-8-10 -9 мбар, ограничивая тем самым загрязнение воздуха системы. Labstation-это результат многолетнего опыта и знаний в области поверхностной науки в СИЦ Карлсруэ.

Пройти из одной камеры в другую, образец монтируется на транспорт вагона, движимый внешней магнит, контролируется компьютерной программы (рис. 2) и двигаясь вдоль линейной передачи палаты около 7 м для стандартных позиций перед камеры.

Без установки одинаковые или близкие эксперимент может быть трудно воспроизвести. Однако эта установка способствует в PAMEC лабораторию, которая вносит в программу открытого доступа в СИЦ, в которой внешние пользователи предлагается представить предложения рассмотрены группой международных научных экспертов. Затем их оценки позволяет пользователям для доступа к инфраструктуре, выполняемых СИЦ. После запросов и в рамках сотрудничества тонких пленок могут быть подготовлены для внешних пользователей для анализа и эксперименты, проведенные за пределами СИЦ Карлсруэ.

В настоящем докладе мы предоставляем подробный протокол роста одной валентности U2O5 тонких пленок, получаемых последовательные шаги, связанные с окисления и сокращение UO2 с атомарного кислорода и атомарный водород, соответственно. В отличие от UO2 и UO2 + xпрямая осаждения U2O5 и UO3 пленок путем распыления DC не может быть сделано. Таким образом мы сначала перейти к осаждения UO2 фильма, окисляются в UO3 с помощью атомарного кислорода, а затем уменьшить его обратно к U2O5 с атомарный водород. Окисление и восстановление время и температура образца во время процесса имеют влияние на результат и важны для мастера. Правильный состав был проверен с высоким разрешением Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, который обеспечивает прямой и количественные доказательства электронной конфигурации урана 5f-1 , как ожидается, U(V).

Protocol

1. держатель пробоподготовки

Примечание: Обработка держателя образца вне Labstation под окружающей атмосферы должны быть выполнены с перчатками и чистого пинцета.

  1. Подготовка держатель образца и ex situ очистки
    1. Чистота золота (Au) фольги (0,025 мм толщиной, 99,99%, см. Таблицу материалы) размером 8 x 8 мм с помощью ацетона. Место фольги из нержавеющей стали или держатель молибдена специально разработаны для Labstation и исправить фольгу на держателе провода точечной сварки тантал.
    2. Очистите держатель образца и фольгу снова с ацетоном и дайте высохнуть под окружающей атмосферы до введения в Labstation.
      Примечание: В вставку Рис1 отображается фотографию держателя образца с золотой фольгой.
  2. Введения держателя образца с Labstation
    1. Закройте клапан свв между нагрузки шлюзовой камеры и камеры гараж (C1/C2). Ослабьте винт крепления двери C1 и откройте клапан азота довести давление до атмосферного давления, позволяя открытие двери.
    2. Ввести держателя образца C1. Закройте дверь C1 и откройте клапан для основного вакуума.
    3. Закройте клапан для первичного насоса после основной вакуум достигает давлении около 1 мбар. Открыть клапан связан с свв турбомолекулярный насос сразу же после этого. Подождите, пока давление достигает 10-7 мбар.
      Примечание: Этот последний шаг может занять как минимум 1-3 ч, в зависимости от образца дегазации.
  3. Передача в подготовке камеру (B1)
    1. Перемещение вагона транспорта из камеры для передачи промежуточной камере и закрыть клапан между C2 и C3. Откройте клапан, расположенный между C1 и C2. Используйте передачу стержня C1 для передачи держателя образца на C2.
      Примечание: C2 является промежуточной камере между C1 и линейной передачи камеры, общие для всех камер Labstation. Она отделяет нагрузки шлюзовой камеры, которая имеет плохой вакууме (10-7 мбар) от остальной части системы (около 10-9 мбар). Пример передачи быстро производится в относительно бедных вакуум в замке нагрузки сохраняя Labstation чистый.
    2. После того, как держатель образца сидит на вагон в C2, вернуть передачи Прут в C1 и закрыть клапан между C1 и C2. Откройте клапан между C2 и линейной передачи камеры C3.
    3. Патронником вагон линейной передачи и подключить его к управляя магнита до закрытия клапана между C2 и C3.
    4. Используйте программу линейной передачи управления (LTC, рис. 2) для передачи вагона на должность Подготовка камеры B1.
    5. Откройте клапан между линейной передачи камеры и подготовка камеры B1. Используйте передачу стержня для патронником образец подготовки B1. После передачи жезл обратно в исходное положение, закройте клапан между линейной передачи палаты и подготовки производства B1.
  4. В situ очистки держателя образца
    1. Откройте клапан аргон для достижения давлением 5 x 10-5 мбар.
    2. Положение поверхности держателя образца в вертикальной грозит ионная пушка (IG10/35, смотрите Таблицу материалы).
    3. Переключение на ионные пушки начать Ar ионного распыления (2 кэВ, 10 мА выбросов текущего) и держать очистки на 10 мин переключатель от ионного пистолета.
    4. Принесите термопара держателя образца, а затем перейти на e луч нагреватель для отжига образца в 773 K за 5 мин. После первоначального роста (в 10-7 мбар диапазон) давление падает обратно около 10-8 мбар, указывающее газовыделение завершения. Выключить подогреватель e луч и пусть образец остыть до комнатной температуры (RT).
    5. Откройте клапан между Подготовка камеры B1 и линейной передачи камеры, а затем положение держателя образца на вагон, с помощью передачи стержня. Закройте клапан палаты B1.
  5. Характеристика держатель образца
    Примечание: Разрешением Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) измерения выполнялись с помощью полусферического анализатора (см. Таблицу материалы). Микро фокус источник (см. Таблицу материалы) оснащены монохроматора и работающих на 120 W была использована для излучения Al Kα (E = 1,486.6 eV). Калибровки спектрометра было сделано с использованием линии7/2 4f, Au металла, производство значение 83.9(1) eV binding энергия (BE) и линии 2 p3/2 Cu металла в 932.7(1) быть eV.
    1. Трансфер вагона на пульт дистанционного управления с помощью программы LTC позицию камеры анализ A4.
      Примечание: Фон давление в камере анализа-2 x 10−10 мбар.
    2. Открыть клапан палаты анализы A4 и использовать стержень передачи взять образец из камеры линейной передачи анализы палату A4. Закройте клапан палаты анализ A4.
    3. Передать образец анализа позиции, используя программу приобретения (рис. 3).
    4. Включите охлаждающей воды и источник рентгеновского излучения спектрофотометра (анодного напряжения = 15 кэВ, текущих выбросов = 120 мА).
    5. Начало сбора данных, с помощью программы приобретения (рис. 3).
      Примечание: Оптимизация выборки позиции могут выполняться с помощью программы приобретения для получения максимального сигнала интенсивности.
      Примечание: Спектры фотоэмиссионный были взяты из поверхности образца хранится на RT.
    6. Начать измерения обзор спектра, используя следующие параметры: KEini = 100 эВ, KEплавник = 1500 eV, время сканирования = 300 s, N ° точек = 1,401, проход энергии = 50 eV, щели = 7 x 20 мм диаметр, режим = 1,5 кэВ/средний режим области.
      Примечание: Отсутствие C1s пик около 284.5 eV BE указывает, что поверхность чистая.
    7. Начать приобретение Au4f ядро уровня спектра со следующими параметрами: KEini = 1,396.6 eV, KEплавник = 1,406.6 eV, время сканирования = 60 s, количество очков = 201, проход энергии = 30 eV, щели = 6 мм диаметр, режим = 1,5 режим области кэВ/средний .
      Примечание: Это последнее измерение будет сравниваться с спектра после осаждения UO2 фильма на золотой фольги для оценки соответствующей толщины пленки.
    8. После того, как была проанализирована на поверхности держателя образца (Au фольги), откройте клапан палаты анализ A4 в положение держателя образца на вагон в зале линейной передачи с помощью передачи стержня.

2. тонкая пленка подготовка

Примечание: Тонких пленок оксида урана готовятся на месте постоянного тока (DC) распыление с помощью урана металла целевой и газовой смеси Ar (6 N) и O2 (4.5 N) парциальное давление.

  1. Осаждения UO2 фильма
    1. Передачи вагонов, перевозящих держателя образца на должность Подготовка камеры B2, пульт дистанционного управления с помощью программы LTC.
    2. Открыть клапан Подготовка камеры B2 и с передачей стержня, положение держателя образца под распыления источник, расположенный в центре B2.
      Примечание: Перед процессом распыления, убедитесь, что затвор распыления источника закрыт.
    3. Закройте клапан изолировать зале B2 из линейной передачи камеры. Затем откройте клапан2 O и отрегулировать парциального давления кислорода до 2,5 x 10−5 мбар. Откройте клапан газ аргон для достижения парциальное давление мбар−3 5 x 10.
    4. Использовать программу распыления (рис. 4) введите следующие параметры: время осаждения = 300 s, уран выходное напряжение = -700 V, уран целевой текущего = 2 мА, накаливания Отопление = 3,3 V/3.9 A, накаливания рабочее напряжение = 40 V.
      Примечание: Ждать около 120 s распыления с закрытого затвора распыления источника.
    5. Запустите таймер сразу же после открытия затвора распыления источника, чтобы позволить осаждения UO2 на фольге АС.
      Примечание: Для работы при низком давлении Ar без стабилизации магнитные поля, инъекции 25-50 eV энергии (триод установки) были включены для поддержания плазмы в диоде.
    6. Остановить распыления после 300 s, используя соответствующие программы и закройте Ar и O2 газовых клапанов.
      Примечание: Синий свет плазмы исчезнет, и все параметры распыления будет падать до нуля.
      Примечание: Подождите, пока давление Подготовка камеры B2 достигает 10-8 мбар.
    7. Принести образец в подготовке камере B1 и гладкой отжига образца, включите нагреватель электронным пучком и установите температуру на 573 K.
      Примечание: Подождите 3-5 мин до остановки отопления.
  2. UO2 образец характеристика
    Примечание: Для характеризации образца, XPS, следует же процедуре, описанной для характеризации держатель образца.
    1. Откройте клапан между подготовки палаты B1 и линейной передачи производства передать образец вагона, с помощью передачи стержня. Установите стержень передачи обратно в зале подготовки B1, а затем закройте клапан изолировать его от линейной передачи камеры.
    2. Следуйте той же процедуре описано в шагах 1.5.1-1.5.6.
      Примечание: Обзор спектра позволяет контролировать качество UO2 фильма, за исключением дополнительных примесей пиков (C1s, перекрестное загрязнение от распыления источник жилищного строительства) и контроля (примерно) U:O соотношение фильма.
    3. Начните приобретение Au4f базового уровня (аналогичные параметры как шаг 1.5.7).
    4. Перейти к приобретению U4f, O1sи валентной зоны (VB) с помощью следующих параметров: проход энергии = 30 eV, щели = 7 x 20 мм диаметр, режим = 1,5 кэВ, средняя площадь.

      U4f: KEini = 1,066.6 eV KEплавник = время сканирования 1,126.6 эВ = 300 ° s N точек = 601
      O1s: KEini = 946,6 eV KEплавник = время сканирования 966.6 эВ = 300 ° s N точек = 201
      VB: KEini = 1,473.6 eV KEплавник = время сканирования 1,488.6 эВ = 1800 ° s N точек = 601

      Примечание: Полученные спектры УО2 фильма сообщается на рисунке 5.
  3. Окисление UO2 с атомарного кислорода
    Примечание: Поток atom (см. Таблицу материалы) указывается в > 1016 атом/см2/, соответствующую выдержку до 20 s примерно 10 Langmuirs (т.е.., 1,33 x 10−3 ПА·с).
    1. Передачи вагонов, перевозящих образца в подготовке палату B3. Открыть клапан Подготовка камеры B3 и с передачей стержня, поместите образец внутри B3 перед источнике атома. Закройте клапан изолировать камеры от линейной передачи камеры.
    2. Установите температуру образца до 573 к. подождать 5 мин разрешить для достижения температуры держателя образца.
    3. Открыть клапан кислорода и равным 1,2 х 10-5 мбар O2парциальное давление. Включите охлаждающей воды для источника атома.
    4. Переключитесь на источнике атомной и установите ток до 20 мА. Обратите внимание на точное время чтобы окислить образца с атомной источник. Если время окисления является слишком коротким, окисление UO3 может быть неполной, как на рисунке 6.
    5. Подождите 20 минут для достижения полного окисления UO2 в UO3 и выключить атомной источник до закрытия клапана кислорода. Как только давление Подготовка камеры B3 10-7 мбар, откройте клапан передать образец вагона, присутствующих в зале линейной передачи. Затем закройте клапан Подготовка камеры B3.
  4. Анализ UO3 полученные после окисления UO2 с атомарного кислорода
    1. Передать образец камеры анализы, следующие шаги 1.5.1-1.5.6; Затем для анализа, следуйте той же процедуре, как описано в шаге 2.2.4.
      Примечание: Соответствующий спектры УО3 приводятся на рисунке 7.
  5. Сокращение3 UO, атомарный водород
    1. Чтобы передать образец Подготовка камеры B3, выполните шаги 2.3.1 и 2.3.2.
    2. Откройте клапан водорода и задайте парциальное давление 3 x 10-5 мбар. Включите охлаждающей воды для источника атома. Переключитесь на источнике атомной и установите ток 30 мА.
    3. Подождите 60 s сокращения времени перед выключением атомной источник. Обратите внимание на точное время, необходимое для уменьшения образца с атомной источник. Если сокращение времени слишком долго, то UO2 + x далее уменьшается до UO2 как сообщалось на рисунке 8. Если это происходит, образец должен быть окисляется снова с атомарного кислорода (как мы сделали получить UO3), чьи соответствующие спектры сообщается на рисунке 9.
  6. Анализ U2O5 полученные после сокращения UO3 с атомарного водорода
    1. Передать образец анализа камеры, следующие шаги 1.5.1-1.5.6; Затем для анализа, следуйте той же процедуре, как описано в шаге 2.2.4.
      Примечание: Полученные спектры U4f, O1s, и VB сообщается на рисунке 10. Как пример неполного сокращения U2O5получены аналогичные спектры, как показано на рисунке 6 .

Representative Results

Выявление U(V) можно легко сделать, характерные энергии спутника встряска, сопровождающих характеристика U4f Дуплет. Энергия, на которой появляется спутник, связанные с процессами потери внутренней энергии, зависит от состояния окисления урана.

Уран 4f ядро уровня Рентгеновская фотоэлектронная спектры записываются для U(IV) в UO2 (красная кривая), U(V) в U2O5 (зелёная кривая) и U(VI) в UO3 (розовая кривая), то по сравнению с U(0) в металле (черная кривая) урана в левом часть 11 рис. Соответствующего уровня спектры O1s ядро наложенного и сообщили в правой части на рисунке 11.

В центральной части на рисунке 11U4f7/2 основного уровня вершины были перенесены в поставить основные направления (верхняя половина), позволяя визуализации разделения энергии (ΔE) между спутником и основной линии (Нижняя половина). С увеличением окисления, разделения энергии увеличивается, в то время как спутниковой интенсивности уменьшается. Спектры получены на тонких пленок около 20 монослои в толщину. Пик Энергия Спутниковое и линии излучения 4f5/2 (4f7/2) были использованы как отпечатки пальцев для окисления атомов урана. Валентных группы спектры UO2, U2O5и UO3 полученные на же фильмы сообщается на рисунке 12.

Спектры, указанных в протоколе соответствующий UO2 фильмов (Рисунок 5) получены после осаждения в зале подготовки B2. Этот фильм затем окисляется с атомарного кислорода. В зависимости от окисления, в результате может быть UO2 + x (как на рисунке 6) или UO3 (как сообщалось на рис. 7). Кроме того если атомная сокращение с водородом на UO3 является слишком длинным, он вернется в UO2 как сообщалось на рисунке 8. В этом случае склонностью к UO3 как сообщалось на рисунке 9 должна состояться до сокращения его снова с соответствующее время получить U2O5, как показано на рисунке 10. Результаты показывают, что процессы окисления и сокращение полностью обратимы.

Figure 1
Рисунок 1 : Фотография и схема Labstation машины разработаны в СИЦ Карлсруэ для включения в situ исследования поверхности науки. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 2
Рисунок 2 : Скриншот программы управления линейной передачи. Программа позволяет передачи вагонов, перевозящих образцы (I-V) вдоль линейной передачи камеры в позициях различных камеры. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 3
Рисунок 3 : Скриншот программы приобретения. После того, как введены условия измерения, серия измерений могут выполняться автоматически после включения рентгеновский генератор. Образец позиции окна позволяет позиционирования образца в зале анализы. Регулировка по x, y и z может быть сделано для оптимизации интенсивность сигнала. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 4
Рисунок 4 : Скриншот программы управления кляксы. Распыление условий может быть выбран с помощью этой программы разработаны собственными силами. Среди переменных, чтобы определить являются отопления и рабочего напряжения накала и напряжений до двух целей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 5
Рисунок 5 : После осаждения UO2 фильма, измеряется с высоким разрешением Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия диапазонов спектры U4f, O1s и Валансе. Пик и спутниковые позиции характерны UO2 образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 6
Рисунок 6 : После окисления UO2 с атомарного кислорода, измеряется с высоким разрешением Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия диапазонов спектры U4f, O1s и Валансе. Время окисления является слишком коротким, таким образом окисления UO3 является неполной. Спутник и пик позиции характерны UO2 + x и не UO3 сообщил на рисунке 7. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 7
Рисунок 7 : U4f, O1s и Валансе группы спектры, измеренная после окисления UO2 фильма с атомарного кислорода с помощью разрешением Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия. Пик и спутниковые позиции характерны UO3 образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 8
Рисунок 8 : U4f, O1s и Валансе группы спектры, измеренная после сокращения UO3 с атомарный водород. Сокращение времени слишком долго, таким образом U2O5 далее сводится к UO2. Спутник и пик позиции характерны UO2 и не U2O5 образца сообщил на рисунке 10. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 9
Рисунок 9 : U4f,1s и Валансе группы O образца получил в Рисунок 8 и повторно окисляется с атомарного кислорода в UO3. Спутник и пик позиции характерны UO3 образца. Процессы окисления и сокращения таким образом являются обратимыми. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 10
Рисунок 10 : После сокращения UO3 фильма с атомарного водорода, измеряется с высоким разрешением Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия диапазонов спектры U4f, O1s и Валансе. Пик и спутниковые позиции характерны U2O5 образца. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 11
Рисунок 11 : U4f и O1s ядро уровня Рентгеновская фотоэлектронная спектры U(IV) в UO2 (красная кривая), U(V) в U2O5 (зелёная кривая) и U(VI) в UO3 (розовая кривая), затем по сравнению с U(0) в металл урана (черная кривая). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Figure 12
Рисунок 12 : Валентности группа спектры U(IV) в UO2 (красная кривая), U(V) в U2O5 (черная кривая) и U(VI) в UO3 (розовая кривая). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Первоначальные результаты, полученные на тонких пленках U2O5 около 30 монослои (мл) в толщину, а также соответствующего уровня спектроскопии ядра, полученные с высоким разрешением Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, были зарегистрированы в предыдущие публикации7. Эволюция состояния урана во время процесса окисления UO2 в UO3 было сообщено через рентгеновских спектров фотоэлектронная на тонких пленок двух до 50 слоев толщиной в широкий спектр O:U отношение (рис. 11, Рисунок 12). Фильм окисления и фильм сокращения были получены путем разоблачения фильмах атомарного кислорода и атомарный водород, соответственно. Однородность фильмов с урана окисления с IV по VI могут быть подтверждены вследствие их малой толщины и температуры реакции. Тонкие пленки оксидов урана залегают на подложке, с помощью постоянного тока распыления с источником распыления, разработанная в СИЦ Карлсруэ. В камере под ультра-высокого вакуума, как все камеры Labstation установлен источник распыления. В то время как UO2 может быть получен непосредственно, UO3 и U2O5 фильмов только получаются после дальнейшего лечения с атомарного кислорода и атомарный водород. Энергия вершины основной и их позиций спутников позволяют что дифференциация между окисления урана в фильмах оксида урана производится на месте. Спектроскопия с высоким разрешением необходимо дифференцировать различные степени окисления, как спутниковой привязки энергии близки и низкой интенсивности.

В 1948 году чистый пятивалентных урана, U2O5, была определена для в первый раз8. Позже ее синтез был описан, основанный на высокой температуры (673-1073 K) и высокого давления (30-60 kbar) смеси UO2 и3O U89. Однако, существование и стабильность U2O5 в условиях давления и температуры окружающей среды были допрошены, предлагая нижний предел x = 0,56-0,6 для однофазной региона ниже U3O810 . До настоящего времени подготовка U2O5 при высоком давлении и температуре или во время процесса термо сокращения был не воспроизводимые; часто не удалось назначить одного окисления полученных образцов. Некоторые из U2O5 массовая пробоподготовки появился как UO2 или3 UO смеси с сосуществование U(V) с U(IV) или U(VI), как U4O9 и U3O8. К примеру Тетерин et al.11 сообщили процесс выщелачивания серной кислотой, после термической обработки в атмосфере гелия, утверждая, что результаты были связаны с U2O5U3O8 . Этот вывод могут быть легко исключены из-за результирующей структуры двух пик в их спектры XPS. Смесь U(V) и U(VI) видов может объяснить результат, за исключением формирования единого государства окисления U(V) ожидается для U2O5.

Наш метод подготовки позволяет приготовления тонких пленок оксида урана с одной окисления U(IV), U(VI) и U(V). Весь процесс подготовки проб занимает место в situ в инструмент поддерживается на ультра-высокого вакуума. Было обнаружено, что сокращение UO3 атомарного водорода не перейти к UO2 , но могут быть остановлены на U(V). Фактор времени является очень важным, а также температура образца в процессе сокращения. С помощью спектрометра высокого разрешения фотоэмиссионный было показано, что чистый образец U2O5 может быть подготовлен в situ. Подготовка толще фильмов должен быть следующий шаг в глядя на Кристаллографическая структура и объемных свойств с ex situ методами.

Disclosures

Авторы не имеют ничего сообщать.

Acknowledgments

Авторы имеют без подтверждений.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Shoesmith, D. W. Fuel corrosion processes under waste disposal conditions. Journal of Nuclear Matter. 282, 1-31 (2000).
  3. 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).
  4. Cohen, C., et al. Water chemisorption on a sputter deposited uranium dioxide film - Effect of defects. Solid State Ionics. 263, 39-45 (2014).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. Hoekstra, H. R., Siegel, S., Gallagher, F. X. The uranium-oxygen system at high pressure. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 32, 3237 (1970).
  10. Kovba, L. M., Komarevtseva, N. I., Kuz'mitcheva, E. U. On the crystal structures of U13O34 and delta-U2O5. Radiokhimiya. 21, 754 (1979).
  11. 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).

Tags

Химия выпуск 144 U2O5 UO3 UO2 кино DC распыления Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия окисления сокращения
U<sub>2</sub>O<sub>5</sub> фильм подготовка через UO<sub>2 </sub>осаждения путем распыления постоянного тока и последовательных окисления и сокращения с атомарного кислорода и атомарного водорода
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Gouder, T., Huber, F., Eloirdi, R.,… More

Gouder, T., Huber, F., Eloirdi, R., Caciuffo, R. U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen. J. Vis. Exp. (144), e59017, doi:10.3791/59017 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter