Summary
이 프로토콜 초고 진공에서 U2O5 박막 얻은 현장에 준비를 제공합니다. 과정 각각 산화와 산소 원자와 원자 수소, UO2 영화의 감소를 포함.
Abstract
U2O5 영화에서 현장에서 Labstation, JRC 카를스루에에서 개발 된 모듈형 시스템을 사용 하 여 생성 하는 방법을 설명 합니다. Labstation, 극단적인 조건 실험실 (PAMEC), 아래 Actinides 속성의 필수적인 부분 수 영화의 준비와 x 선, 자외선 광전자 방출 등 표면 분석 기법을 사용 하 여 샘플 표면 연구 분광학 (XPS와 UPS, 각각). 모든 연구는 현장에서고 영화, 분석 약 실에 그들의 준비에서 초고 진공에서 전송 대기 접촉 하지는. 처음, UO2 의 영화 UO3 필름을 생산 하기 위해 직류 (DC) 스퍼터 증 착 다음 원자 산소에 의해 산화 금 (Au) 호에 의해 준비 된다. 이 후자는 다음 감소 원자 수소와 함께 U2O5. 분석은 산화 및 감소, 고해상도 광전자 분광학을 사용 하 여 우라늄의 산화 상태를 검사 하는 각 단계 후 수행 됩니다. 실제로, 산화 및 감소 시간 및이 과정에서 기판의 해당 온도 우라늄의 결과 산화 상태에 심각한 영향을 해야합니다. U2O5 단일 U(V) UO3 의 감소를 중지 하는 것는 매우 도전. 첫째, 우라늄-산소 시스템은 수많은 중간 단계에 존재 한다. 둘째, 우라늄의 산화 상태의 주로 기반으로 위성 봉우리, 봉우리의 강도 약 합니다. 또한, 경험 x 선 분광학 (XPS)는 원자 감도 1% ~ 5%의 기술을 알고 있어야 합니다. 따라서, U4 층, O1s, 그리고 원자가 악대 (VB)에서 얻은 전체 스펙트럼을 우라늄 산화 상태의 완전 한 그림을 얻을 것이 중요 하다. 프로그램은 Labstation에서 사용 되는 외부 회사에 의해 개발 된 선형 전송 프로그램 포함 ( 재료의 표참조) 데이터 수집 및 스퍼터 소스 프로그램, 둘 다 자체 개발.
Introduction
산화 우라늄 핵 폐기물의 주요 구성 요소 이며 물에 있는 그것의 가용성 U(VI) U(IV)에서 증가 하는 우라늄 산화 상태에 연결 된다. 따라서, UOx 2 + 산화 지질 저장 동안 중요 하 고 중요 한 안전 문제1,2이다. 이 우라늄 산화물 및 환경3,4,,56사이 표면 상호 작용을 경 세 하는 반응 메커니즘의 연구 동기. 이 지식을 낭비 핵 연료 주기에서 치료의 모든 측면에 필수적 이다.
Tetravalent 동안 6가 우라늄은 확고 하 고 고체 시스템으로 일반적인, 이건 uranyl 복합물에 그것의 안정성 및 수성 해결책에서 발생에도 불구 하 고 pentavalent 우라늄에 대 한 경우. 우라늄 산화물, U(V) 한다 중간 간주 됩니다 그리고 단일 국가로 하지만 대신 U(IV) 및 U(VI)와 공존으로 보고 되지 않습니다. 이러한 이유로, 아무것도 U2O5의 화학 및 물리적 특성에 대 한 보고 되었습니다. 이 앞으로의 부식 실험, 샘플 부식성 환경에 노출 되는 일반적인 기능 때문 이기도 합니다. 이 표면 (는 oxidants에 노출)와 샘플의 산화 상태에서 가파른 그라디언트를 만듭니다. 변경 분석 깊이 내에서 일어난다. 따라서, 다른 산화 상태가 혼합된 원자가 다르다고 하지만 이기종 레이어 결과 불완전 한 반응의 유물으로에 동시에, 관찰 된다. 대량 샘플 대신 얇은 필름을 사용 하 여 이러한 두 가지 문제를 해결할 수 있습니다. 다양 한 시스템의 다 수 작은 시작 물자로 준비 될 수 있다 그리고 표면 대량 그라데이션 아무 대량 때문에 피할 수 있다.
여기 보고 하는 메서드는 매우 얇은 층 (불활성 기판에 원자 층의 일부 수만)의 현장에 준비 및 대기와 접촉 하지 않고 그 표면 분석 수 있습니다. 이 모듈은 Labstation (그림 1)의 장점 중 하나는 기계 실의 다른 동적 극초단파 진공 (UHV), 아래 계속 10-9-10-11 mbar의 압력에 도달 구성. 챔버 표면 spectroscopies 기술로 [예를 들면, 엑스레이 광전자 분광학 (XPS), 자외선 광전자 분광학 (UPS), 낮은 박막, 표면 처리 (가스 adsorptions), 및 특성의 준비에 최선을 다하고 있습니다. 에너지 전자 회절 분광학 (LEED)]. 샘플 특정 샘플 홀더에 탑재 되며 전송 수레를 사용 하 여 선형 전송 챔버를 통해 다른 챔버 사이 전송. 그래서 그들은 어떤 순간에 격리 될 수 있습니다 모든 챔버는 밸브를 통해이 중앙 챔버에 연결 (예:., 가스 작성 또는 서비스에 대 한). 샘플 홀더/샘플 선형 전송 상공에서의 회복은 각 챔버에 장착 하는 전송 막대에 의해 수행 됩니다. Labstation 기본 시스템 외부 회사에 의해 제조 되었습니다 ( 재료의 표참조). 확장 및 수정 추가 되었습니다 나중 JRC 칼 스루에 독특한 장비 인 실험 요구 사항에 따라. 확장은 스퍼터 소스 (박막 준비를 위한 핵심 요소), 스퍼터 및 데이터 수집 프로그램과 함께 사내 개발 되었습니다 포함 됩니다. 샘플 홀더/샘플 주변 분위기에서 초고 진공의 로드를 통해 부하 잠금 챔버 특별히 여러 샘플 처리를 수행 하 고 약 10-8-10의 최종 압력을 도달 하는 시간을 최소화 하도록 설계 되었습니다 이루어집니다. -9 mbar, 따라서 시스템의 공기 오염 제한 Labstation JRC 칼 스루에 표면 과학 분야 전문가 및 경험의 년의 결과 이다.
다른 한 약 실에서 통과, 샘플 외부 자석에 의해 구동, 컴퓨터 프로그램 (그림 2)에 의해 제어 되 고의 앞에 미리 정의 된 정지 위치에 약 7 m의 선형 전송 상공을 따라 이동 교통 웨건 탑재는 약 실입니다.
유사한 또는 가까이 설치 하지 않고 실험 재현 하기 어려울 수 있습니다. 그러나,이 설치는 외부 사용자가 제출에 초대 제안을 검토 국제 과학 전문가의 패널에 의해 JRC에서 오픈 액세스 프로그램에 기여 하는 PAMEC 연구소에 기여 한다. 다음 그들의 평가 JRC 운영 인프라에 액세스할 수 있습니다. 요청 후, 협력의 프레임에 박막 분석과 JRC 카를스루에 외부에서 수행 하는 실험에 대 한 외부 사용자에 대 한 준비 수 있습니다.
이 보고서에서 우리가 단일 원자가 U2O5 의 성장의 상세한 프로토콜 박막 산화와 산소 원자와 원자 수소, UO2 의 감소를 각각 포함 하는 연속 단계에 의해 얻은 제공 합니다. UO2 와 달리 UO2 + x, U2O5 와 DC 스퍼터 링에 의해 UO3 영화의 직접 증 착을 할 수 없습니다. 따라서, 우리가 먼저 UO2 필름 증 착을 진행, UO3 원자 산소를 사용 하 여 산화 다음 원자 수소와 함께 U2O5 로 다시 감소. 산화 및 감소 시간 및 과정에서 샘플 온도 결과에 영향을 미칠 고 마스터 하는 것이 중요. 올바른 구성 고해상도 엑스레이 광전자 분광학는 U(V)에 대 한 예상 대로 우라늄에, 5f1 의 전자 구성에 대 한 직접적이 고 양적 증거를 제공 한다 확인 했다.
Protocol
1. 샘플 홀더 준비
참고: 샘플 홀더 주위 분위기 아래 Labstation 외부의 처리 장갑과 깨끗 한 핀셋으로 수행 되어야 한다.
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샘플 홀더 준비 및 청소 해 라 전
- 금박 (Au) 청소 (0.025 m m 두께, 99.99%, 재료의 표참조) 아세톤과 8 x 8 m m 크기의. 스테인리스 또는 몰 리브 덴 홀더에 호 일 구체적으로 Labstation를 위한 장소와 용접 탄탈 와이어에 의해 소유자에 호 일을 해결.
- 샘플 홀더 및 아세톤으로 다시 호 일을 청소 하 고 말리는 Labstation 소개 하기 전에 주변 분위기에서.
참고: 샘플 홀더 골드 호 일의 사진 그림 1의 삽입에 표시 됩니다.
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Labstation 샘플 홀더의 소개
- 로드 잠금 챔버와 차고 챔버 (C1/C2) 사이 UHV 밸브를 닫습니다. C1의 문을 고정 나사, untighten 고 대기 압력, 문 열기 사용 압력을가지고 질소 밸브를 엽니다.
- C 1을 샘플 홀더를 소개 합니다. C 1의 문을 닫고 기본 진공 밸브를 엽니다.
- 주 진공 약 1 mbar의 압력에 도달 하면 기본 펌프에 밸브를 닫습니다. 오픈 밸브 연결 UHV 터보 펌프에 즉시 이후에. 압력 10-7 mbar에 도달할 때까지 기다립니다.
참고:이 마지막 단계는 최소 1 ~ 3 h, 샘플 outgassing에 따라 걸릴 수 있습니다.
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준비 약 실 (B1)에 전송
- 중간 챔버에 전송 상공에서 전송 수레를 이동 하 고 C2와 C3 사이 밸브를 닫습니다. C 1과 C2 사이 있는 밸브를 엽니다. C 1의 전송 막대를 사용 하 여 c 2 샘플 홀더를 전송.
참고: C2 C1 및 선형 전송 챔버는 Labstation의 모든 챔버에 공통 사이 중간 챔버입니다. 그것은 (약 10-9 mbar) 시스템의 나머지 부분에서 가난한 진공 (10-7 mbar)는 로드 잠금 챔버를 분리 합니다. 샘플 전송 수행할 수 있습니다 빠르게 로드 잠금에서 상대적으로 가난한 진공에는 Labstation를 청결 한 유지 하는 동안. - 샘플 홀더 c 2에서 마차에 앉아, 후 다시 전송 로드 C1을 가져오고 c 1과 C2 사이 밸브를 닫습니다. C2 및 C3 선형 전송 챔버 사이의 밸브를 엽니다.
- 선형 전송 챔버에 마차를 놓고 C2와 C3 사이 밸브를 닫기 전에 운전 자석에 연결 합니다.
- 선형 전송 컨트롤 (LTC, 그림 2) 준비 실 b 1의 위치에 마차를 전송 프로그램을 사용 합니다.
- 선형 이동 약 실 및 준비 실 B1 사이의 밸브를 엽니다. 이동 막대를 사용 하 여 샘플 준비 실 지 하 1 층에에서 위치. 전송 막대를 초기 위치로 다시 일단 선형 이동 약 실 및 준비 실 B1 사이의 밸브를 닫습니다.
- 중간 챔버에 전송 상공에서 전송 수레를 이동 하 고 C2와 C3 사이 밸브를 닫습니다. C 1과 C2 사이 있는 밸브를 엽니다. C 1의 전송 막대를 사용 하 여 c 2 샘플 홀더를 전송.
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현장에서 샘플 홀더의 청소
- 5 x 10-5 mbar의 압력에 도달 아르곤 밸브를 엽니다.
- 샘플 홀더 표면 이온 총을 얼굴에 수직 위치 (IG10/35, 재료의 표참조).
- Ar 이온 스퍼터 링 시작 하 이온 총에 전환 (2 keV, 현재 10 mA 방출) 이온 총에서 10 분 스위치에 대 한 청소 유지.
- 다음 샘플 홀더 접촉 열전대를 가져와 anneal 5 분 773 K에서 샘플을 전자 빔 히터에 전환. (10-7 mbar 범위)에 초기 상승, 후 압력 outgassing 완료를 나타내는 약 10-8 mbar 다시 떨어진다. 전자 빔 히터 오프 스위치와 실내 온도 (RT) 아래로 샘플 식.
- 준비 실 B1 사이의 선형 전송 챔버, 밸브를 열고 전송 막대를 사용 하 여 수레에 샘플 홀더 위치. B1 챔버의 밸브를 닫습니다.
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샘플 홀더 특성화
참고: 고해상도 엑스레이 광전자 분광학 (XPS) 측정 반구형 분석기를 사용 하 여 수행 했다 ( 재료의 표참조). 마이크로 포커스 소스 ( 재료의 표참조)는 단색 및 알 Kα의 방사선을 생성 하는 데 사용 되었다 120 W에서 작동 (E = 1,486.6 eV). 계의 교정 수행 되었다 eV 수 932.7(1)에서 83.9(1) eV 결합 에너지 (수), 가치의 생산 Au 금속의 4 층7/2 선 및 Cu 금속 2 p3/2 라인을 사용 하 여.- LTC 프로그램 A4 분석 실의 위치를 사용 하 여 원격 제어 하 여 마차를 전송.
참고: 분석 실에서 배경 압력은 2 x 10−10 mbar. - 분석 실의 A4 밸브 열고 분석 실로 A4 선형 전송 상공에서 샘플을 전송 막대를 사용 합니다. A4 분석 실의 밸브를 닫습니다.
- 샘플 수집 프로그램 (그림 3)를 사용 하 여 분석 위치를 전송 합니다.
- 냉각수에는 분 광 광도 계의 X-ray 소스 전환 (양극 전압 = 15 keV, 방출 전류 = 120 mA).
- 수집 프로그램 (그림 3)를 사용 하 여 데이터 수집을 시작 합니다.
참고: 샘플 위치의 최적화 최대 신호 강도를 수집 프로그램을 수행할 수 있습니다.
참고: 광전자 방출 스펙트럼 실시간 유지 샘플 표면에서 찍은 - 다음 매개 변수를 사용 하 여 개요 스펙트럼의 측정을 시작: 애ini 100 eV, 애지 느 러 미 = 1500 eV = 스캔 시간 = 300 s, 포인트의 N ° 1,401, 패스 에너지 = 50 eV = 슬릿 = 7 x 20 m m 직경, 모드 = 1.5 케빈/중간 영역 모드.
참고: 될 대략 284.5 eV에서 C1s 피크의 부재 표면 청결 임을 나타냅니다. - 다음 매개 변수 Au4 층 코어 레벨 스펙트럼의 수집을 시작: 애ini = 1,396.6 eV, 애지 느 러 미 1,406.6 eV = 스캔 시간 = 60 s, 포인트의 번호 201, 패스 에너지 = 30 eV = 슬릿 = 6 mm 직경, 모드 = 1.5 케빈/중간 영역 모드 .
참고:이 후자의 측정 것입니다 비교 될 스펙트럼에 영화의 해당 두께 평가를 금박에 UO2 필름 증 착 후. - 일단 샘플 홀더 (Au 호)의 표면 분석 분석 챔버 전송 막대를 사용 하 여 선형 전송 챔버에 마차에 샘플 홀더를 A4의 밸브를 엽니다.
- LTC 프로그램 A4 분석 실의 위치를 사용 하 여 원격 제어 하 여 마차를 전송.
2. 박막 준비
참고: 우라늄 산화물 박막 직류 (DC) 사용 하는 우라늄 금속 목표, 가스 혼합물 아칸소 (6 N)와 O2 (4.5 N) 부분 압력의 스퍼터 링에 의해 제자리에 준비가 되어있습니다.
- UO2 필름 증 착
- LTC 프로그램을 사용 하 여 원격 제어에 의해 준비 실 b 2의 위치에 샘플 홀더를 운반 하는 수레를 전송 합니다.
- B2, 준비 실의 밸브 열고 전송 막대 B2 한가운데 위치한 스퍼터 소스 아래 샘플 홀더 위치.
참고: 스퍼터 링 과정을 하기 전에 스퍼터 소스의 셔터 닫혔는지 확인 합니다. - 선형 전송 상공에서 b 2 챔버 분리 밸브를 닫습니다. 다음, O2 밸브를 열고 10−5 mbar x 2.5 산소 부분 압력을 조정 합니다. 5 x 10− 3 mbar의 부분 압력에 도달 아르곤 밸브 가스를 엽니다.
- 스퍼터 링 프로그램 (그림 4)를 사용 하 여 다음 매개 변수를 입력: 증 착 시간 = 300 s, 우라늄 목표 전압 =-700 V, 현재 우라늄 대상 = 2 mA, 필 라 멘 트가 열 = 3.3 V/3.9 A, 필 라 멘 트 일 전압 = 40 V.
참고: 약 120 기다리는 스퍼터 소스의 닫힌 셔터 스퍼터 링의 s. - UO2 의 Au 호 일에 있도록 스퍼터 소스의 셔터를 연 후 즉시 타이머를 시작 합니다.
참고: 자기장을 안정화 없이 낮은 Ar 압력에서 작동, 25-50 eV 에너지 (조립 설치)의 주사는 다이오드에서 플라즈마를 유지 하기 위해 활성화 했다. - 300 후 스퍼터 링 중지 s, 해당 사용 하 여 프로그램, 그리고 아칸소 및 O2 가스 밸브를 닫습니다.
참고: 플라즈마의 푸른 빛은 사라지고 모든 스퍼터 링 매개 변수 0에 떨어질 것 이다.
참고: B2 준비 챔버의 압력 10-8 mbar에 도달할 때까지 기다립니다. - 샘플 준비 실 B1, 그리고 샘플 부드러운으로 어 닐 링, 전자 빔 히터 스위치 가져오고 573 K. 온도 설정
참고: 난방을 중지 하기 전에 3 ~ 5 분 기다립니다.
- UO2 예제 특성
참고: XPS에 의해 샘플의 특성에 대 한 샘플 홀더 특성에 대 한 설명 하는 동일한 절차 따라야 한다.- 준비 실 B1 및 전송 막대를 사용 하 여 수레를 샘플을 전송 하려면 선형 전송 챔버 사이의 밸브를 엽니다. 준비 약 실 b 1에 다시 전송 막대 설정 다음 선형 이동 약 실에서 격리 밸브를 닫습니다.
- 1.5.1 1.5.6 단계에 설명 된 동일한 절차를 따릅니다.
참고: 개요 스펙트럼 추가 불순물 봉우리 (C1s, 스퍼터 소스 주택에서 교차 오염)를 제외 하 고는 U:O (대략) 제어 함으로써 UO2 영화 품질의 제어 가능 영화의 비율입니다. - Au4 층 코어 수준 (단계 1.5.7 같이 유사한 매개 변수)의 수집을 시작 합니다.
- U4 층, O1s및 원자가 악대 (VB) 다음 매개 변수: 통과 에너지를 사용 하 여 인수 진행 30 eV = 슬릿 = 7 x 20 m m 직경, 모드 = 1.5 케빈, 중간 지역.
U4 층: 애ini 1,066.6 eV 애지 느 러 미 = 1,126.6 eV 검색 시간 = = 포인트 300 s N ° 601 =
O1: 애ini 946.6 eV 애지 느 러 미 = 966.6 eV 검색 시간 = 포인트 300 s N ° = = 201
Vb: 애ini 1,473.6 eV 애지 느 러 미 = 1,488.6 eV 검색 시간 = = 포인트의 1800 s N ° 601 =
참고: UO2 영화에 대 한 얻은 스펙트럼은 그림 5에 보고 됩니다.
- UO2 원자 산소의 산화
참고: 원자 플럭스를 지정 ( 재료의 표참조) > 1016 원자/cm2/s, 해당 20까지 노출 하 대략 10 Langmuirs의 s (즉,., x 10− 3 Pa•s 1.33).- 전송 준비 실로 B3 샘플 운반 수레. 준비 실의 B3, 밸브 열고 전송 막대 원자 소스 앞 B3 내부 샘플 위치. 선형 이동 약 실에서 챔버 격리 밸브를 닫습니다.
- -샘플 홀더의 온도 도달을 수 있도록 573 K. 대기 5 분 샘플 온도 설정 합니다.
- 산소 밸브를 열고 1.2 x 10-5 mbar O2부분 압력을 설정 합니다. 원자 소스에 대 한 냉각 물에 전환 합니다.
- 원자 소스에 전환 하 고 설정 전류 20 mA. 산화 원자 소스 샘플을 정확한 시간에 주의. 산화 시간이 너무 짧은 경우에, UO3 산화로 그림 6에 보고 완전 한 수 있습니다.
- UO3 UO2 의 완전 한 산화를 달성 하 고 산소 밸브를 닫기 전에 원자 소스 전환에 20 분을 기다립니다. 일단 준비 실 b 3의 압력은 10-7 mbar, 선형 전송 챔버에 마차에 샘플을 전송 밸브를 엽니다. 그런 다음 준비 챔버 b 3의 밸브를 닫습니다.
- UO3 얻은 UO2 원자 산소의 산화 후의 분석
- 1.5.1 1.5.6; 단계 분석 실에 샘플을 전송 그런 다음, 분석, 절차에 따라 동일한 단계 2.2.4에에서 설명 된 대로.
참고: UO3 의 해당 스펙트럼은 그림 7에 보고 됩니다.
- 1.5.1 1.5.6; 단계 분석 실에 샘플을 전송 그런 다음, 분석, 절차에 따라 동일한 단계 2.2.4에에서 설명 된 대로.
- UO3 원자 수소의 감소
- 샘플 준비 챔버 b 3 전송 하려면 2.3.1, 2.3.2 단계를 따릅니다.
- 수소 밸브를 열고 3 x 10-5 mbar 부분 압력을 설정 합니다. 원자 소스에 대 한 냉각 물에 전환 합니다. 원자 소스에 전환 하 고 현재 30 설정 mA.
- 60 기다려 s 원자 소스에서 전환 하기 전에 감소 시간. 정확한 시간을 줄이기 위해 원자 소스와 샘플에 주의. 감소 시간이 너무 긴 경우 다음 UO2 + x 는 더욱 감소 UO2 그림 8에서 보고. 이 경우, 샘플 해야 합니다 수 산화 다시 원자 산소 (UO3를 했던) 것 처럼, 그 해당 스펙트럼 그림 9에 보고 됩니다.
- UO3 원자 수소의 감소 후 얻은 U2O5 의 분석
- 1.5.1 1.5.6; 단계 분석 실에 샘플을 전송 그런 다음, 분석, 절차에 따라 동일한 단계 2.2.4에에서 설명 된 대로.
참고: U4 층, O1s, 그리고는 VB의 얻은 스펙트럼은 그림 10에 보고 됩니다. U2O5불완전 한 감소의 예를 들어, 그림 6 에서 같이 비슷한 스펙트럼 얻을 수 있습니다.
- 1.5.1 1.5.6; 단계 분석 실에 샘플을 전송 그런 다음, 분석, 절차에 따라 동일한 단계 2.2.4에에서 설명 된 대로.
Representative Results
U(V)의 식별 특성 U4 층 남자 용 상의 동반 하는 급 위성의 특성 에너지에 의해 쉽게 수행할 수 있습니다. 결합 에너지는 본질적인 에너지 손실 프로세스와 관련 된 위성 나타납니다 우라늄 산화 상태에 따라 달라 집니다.
UO2 (빨간 곡선), U2O5 (녹색 곡선), U(V) 및 U(VI) UO3 (분홍색 곡선), 다음 왼쪽에서 우라늄 금속 (검은색 곡선)에서 U(0)에 비해 우라늄 4f 코어 레벨 x 선 광전자 방출 스펙트럼 U(IV)에 대 한 기록 그림 11의 부분입니다. 해당 O1s 코어 수준 스펙트럼 superposed 이며 그림 11의 오른쪽 부분에 보고.
그림 11의 센터 부분에 U4 층7/2 코어 수준 봉우리는 위성 및 본선 (아래쪽) 사이의 에너지 분리 (ΔE)의 시각화 수 있도록 메인 라인 (상반신) superpose 이동 되었습니다. 증가 함께 산화 상태, 에너지 분리 증가, 위성 강도 감소 하는 동안. 스펙트럼은 두께에서 약 20 monolayers의 얇은 필름에 획득 했다. 위성 에너지 피크와 4f5/2 (4f7/2) 방출 선 우라늄 원자의 산화 상태에 대 한 지문 처럼 사용 되었다. UO2, U2O5, UO3 같은 영화에서 얻은의 원자가 밴드 스펙트럼은 그림 12에 보고 됩니다.
프로토콜에서 설명 하는 스펙트럼은 준비 실 b 2에서에서 증 착 후 얻은 UO2 영화 (그림 5)에 대응 합니다. 이 영화는 다음 원자 산소로 산화 됩니다. 산화 시간에 따라 결과 수 UO2 + x ( 그림 6에서 보고) 또는 UO3 (로 그림 7에 보고). 또한, UO3 에 수소 원자 감소 너무 긴 경우에, 그것은으로 돌아갑니다 UO2 그림 8에서 보고. 이 경우에, reoxidation UO3 그림 9 에서 보고 일어나 야 한다 그림 10에 표시 된 대로 다시 U2O5를 적절 한 시기와 그것을 감소 하기 전에. 결과 표시 산화와 감소 프로세스 되돌릴 수 있습니다.
그림 1 : 사진 및 Labstation 컴퓨터의 회로도 개발 표면 과학 연구 현장에서 사용할 수 있도록 JRC 칼 스루에. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 2 : 선형 전송 제어 프로그램의 스크린샷을. 프로그램의 수 있습니다 (v i) 샘플 운반 수레 선형 전송 챔버 다른 챔버 위치에 따라. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 3 : 수집 프로그램의 스크린샷을. 측정 조건, 도입 되 면 측정의 시리즈 x 선 발생기에 전환 후 자동으로 수행할 수 있습니다. 샘플 위치 창에서는 분석 실에서 샘플의 위치. X, y, 및 z 에 따라 조정의 신호 강도 최적화 할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 : 스퍼터 제어 프로그램의 스크린샷을. 스퍼터 링 조건 자체 개발한이 프로그램을 선택할 수 있습니다. 정의할 변수 중에 난방과는 필 라 멘 트의 작동 전압 및 최대 2 개의 목표의 전압. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 5 : U4 층, O1s, 및 원자가 UO2 영화, 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학에 의해 측정의 증 착 후 스펙트럼 밴드. 피크와 위성 위치는 UO2 샘플의 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6 : U4 층, O1s, 및 원자가 산화 UO2 원자 산소, 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학에 의해 측정 후 스펙트럼 밴드. 산화 시간 너무 짧습니다, 따라서 UO3 산화 완전 하지 않습니다. 위성 및 피크 위치는 특성 UOx 2 + 그리고 그림 7에는 UO3 의 아닙니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 7 : U4 층, O1s, 및 원자가 밴드 스펙트럼 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학을 사용 하 여 원자 산소로 산화 UO2 영화 후 측정. 피크와 위성 위치는 UO3 샘플의 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 8 : U4 층, O1s, 및 원자가 밴드 스펙트럼 UO3 원자 수소의 감소 후 측정. 감소 시간 너무 오래, 따라서 U2O5 추가 UO2로 감소 된다. 위성 및 피크 위치는 UO2 과 하지 U2O5 샘플 그림 10에 보고의 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 9 : U4 층, 샘플의 O1s, 원자가 악대에서 얻은 그림 8 다시 UO3원자 산소로 산화 하는 고. 위성 및 피크 위치는 UO3 샘플의 특성. 감소와 산화의 프로세스 따라서 되돌릴 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 10 : U4 층, O1s, 및 원자가 원자 수소, 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학에 의해 측정 UO3 영화의 감소 후 스펙트럼 밴드. 피크와 위성 위치는 U2O5 샘플의 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 11 : U4 층 및 O1 코어 레벨 x 선 광전자 방출의 스펙트럼 U(IV) UO2 (빨간 곡선), U2O5 (녹색 곡선), U(V) 및 U(VI) UO3 (분홍색 곡선), 우라늄 금속 (검은색 곡선)에서 U(0)에 비해 다음. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 12 : UO2 (빨간 곡선), U2O5 (검은색 곡선), U(V) 및 U(VI) UO3 (분홍색 곡선)에 U(IV)의 원자가 밴드 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Discussion
초기 결과 해당 코어 레벨 분광학 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학으로 얻은 함께 두께에서 약 30 monolayers (ML)의 U2O5 의 얇은 필름에는에서 보고 되었다는 이전 게시7. UO UO3 에2 의 산화 과정에서 우라늄 상태의 진화 O:U 비율 (그림 11, 의 넓은 범위에서 두께에서 2 ~ 50 층의 얇은 필름에 얻은 x 선 광전자 스펙트럼을 통해 보고 되었다 그림 12). 영화 산화와 영화 감소 각각 산소 원자와 원자 수소, 필름을 노출 하 여 얻은 했다. 우라늄 산화 상태 IV에서 VI와 함께 필름의 동질성 그들의 작은 두께와 반응 온도 확인 될 수 없었다. 우라늄 산화물의 박막 직류 스퍼터 소스 JRC 카를스루에에서 개발 된 스퍼터 링을 사용 하 여 기판에 입금 됩니다. 스퍼터 소스는 Labstation의 모든 챔버 처럼 초고 진공에서 보관 챔버에 설치 됩니다. UO2 직접 얻을 수 있습니다, 하는 동안 UO3 와 U2O5 영화만 산소 원자와 원자 수소 더 치료 후 얻어진 다. 주요 봉우리와 그들의 위성 위치 바인딩 에너지 우라늄 산화물 필름에서 우라늄의 산화 상태 사이의 차별을 제자리에서생산 수 있습니다. 고해상도 분광학은 위성 바인딩 에너지 가까이 하 고 낮은 농도 서로 다른 산화 상태를 차별화 하는 데 필요 합니다.
1948 년, 처음으로8에 대 한 순수한 pentavalent 우라늄, U2O5, 확인 되었다. 나중에, 그것의 합성 높은 온도 (673 1,073 K), 고압 (30-60 kbar) UO2 와 U3O89의 혼합물에 따라 설명 했다. 그러나, 존재와 주위 온도 압력 조건에서 U2O5 의 안정성 있다 조사 되어, x 의 하한값을 제안 = 0.56-0.6 U3O810 아래 1 단계 지역에 대 한 . 지금까지 U2O5 에서 높은 압력과 온도 또는 온도 감소 과정의 준비가 했다 재현; 종종 얻은 샘플을 하나의 산화 상태를 할당 불가능 했다. U2O5 대량 샘플 준비의 일부는 U4O9 와 U3O8U(IV) 또는 U(VI), U(V)의 공존으로 UO2 또는 UO3 의 혼합물으로 나타났다. 예를 들어, Teterin 외.11 U3O8 뒤에 결과 U2O5관련이 있었다 주장 헬륨 분위기에서 열 처리 하는 황산의 leaching 프로세스 보고. 이 결론에 그들의 XPS 스펙트럼 결과 2 피크 구조 때문 쉽게 제외 될 수 있습니다. U(V) 및 U(VI)의 혼합물 U2O5에 대 한 기대는 단일 U(V) 산화 상태의 형성을 제외 하 고 결과 설명할 수 있었다.
준비의 우리의 메서드 U(IV), U(VI), 및 U(V)의 단일 산화 상태 우라늄 산화물의 박막의 준비를 수 있습니다. 샘플 준비의 전체 과정 장소에서 현장에서 초고 진공에서 악기 내 걸립니다. UO3 원자 수소의 감소 UO2 진행 되지 않습니다 하지만 U(V)에서 중지 될 수 있습니다 발견 했다. 시간 계수는 감소 과정 샘플의 온도 뿐만 아니라 아주 중요 하다. 고해상도 광전자 방출 분석기와 함께 U2O5 의 순수한 샘플에서 원래의준비 될 수 있다 보였다. 두꺼운 필름을 준비 하는 것은 원래의 전 기술로 결정학 구조 및 대량 속성에서 보고에 다음 단계 이어야 한다.
Disclosures
저자는 공개 없다.
Acknowledgments
저자 아무 승인 있다.
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
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