Name: U2O5 Przygotowanie filmu za pomocą UO2 Osadzanie przez rozpylanie prądem stałym oraz sukcesywne utlenianie i redukcję tlenem atomowym i wodorem atomowym (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-02-21T14:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 5 s
Description: Poznaj metodę przygotowania filmów U2O5 w warunkach ultrawysokiego próżniowania z wykorzystaniem atomowego tlenu i wodoru. Technika ta umożliwia badanie właściwości fizykochemicznych rzadkich tlenków uranu.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy nie mają żadnych podziękowań.

1. Przygotowanie uchwytu na próbkę
UWAGA: Obchodzenie się z uchwytem na próbkę poza stacją laboratoryjną w atmosferze otoczenia powinno odbywać się w rękawiczkach i czystej pęsetze.
<ol>
	<li>Przygotowanie uchwytu na próbkę i czyszczenie ex situ
	<ol>
		<li>Złotą folię (Au) (grubość 0,025 mm, 99,99%, patrz Tabela Materiałów) o wymiarach 8 x 8 mm oczyścić acetonem. Umieść folię na uchwycie ze stali nierdzewnej lub molibdenu specjalnie zaprojektowanym dla Labstation i przymocuj folię do uchwytu za pomocą drutów tantalowych do zgrzewania punktowego.</li>
		<li>Wyczyść uchwyt próbki i folię ponownie acetonem i pozostaw do wyschnięcia w atmosferze otoczenia przed wprowadzeniem do Labstation. 
		UWAGA: Zdjęcie uchwytu na próbkę ze złotą folią jest wyświetlane we wstawce Rysunek 1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Wprowadzenie uchwytu na próbkę do stacji laboratoryjnej
	<ol>
		<li>Zamknąć zawór UHV między komorą blokady ładunku a komorą garażu (C1/C2). Odkręć mocującą drzwi C1 i otwórz zawór azotu, aby doprowadzić ciśnienie do ciśnienia atmosferycznego, umożliwiając otwarcie drzwi.</li>
		<li>Wprowadzić uchwyt na próbkę do punktu C1. Zamknij drzwiczki C1 i otwórz zawór podciśnienia pierwotnego.</li>
		<li>Zamknij zawór pompy pierwotnej, gdy podciśnienie pierwotne osiągnie ciśnienie około 1 mbar. Natychmiast po tym należy otworzyć zawór połączony z pompą turbomolekularną UHV. Poczekaj, aż ciśnienie osiągnie 10-7 mbar. 
		UWAGA: Ten ostatni krok może zająć co najmniej 1 do 3 godzin, w zależności od odgazowania próbki.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Przenieść do komory przygotowawczej (B1)
	<ol>
		<li>Przesunąć wagon transportowy z komory przesyłowej do komory pośredniej i zamknąć zawór między C2 i C3. Otwórz zawór znajdujący się między C1 i C2. Użyj pręta transferowego C1, aby przenieść uchwyt próbki do C2. 
		UWAGA: C2 jest komorą pośrednią między C1 a liniową komorą transferową, wspólną dla wszystkich komór Stacji Laboratoryjnej. Oddziela komorę blokady ładunku, która ma słabe podciśnienie (10-7 mbar) od reszty systemu (około 10-9 mbar). Przenoszenie próbek można szybko przeprowadzić przy stosunkowo niskim podciśnieniu w zamku załadunku, jednocześnie utrzymując stację laboratoryjną w czystości.</li>
		<li>Po umieszczeniu uchwytu próbki na wagonie w C2, należy przyłożyć pręt przenoszący z powrotem do C1 i zamknąć zawór między C1 i C2. Otwórz zawór między C2 a liniową komorą transferową C3.</li>
		<li>Umieść wagon w liniowej komorze transferowej i podłącz go do magnesu napędowego przed zamknięciem zaworu między C2 i C3.</li>
		<li>Użyj programu Linear Transfer Control (LTC, Rysunek 2), aby przesunąć wagon do pozycji komory przygotowawczej B1.</li>
		<li>Otworzyć zawór między liniową komorą transferową a komorą przygotowawczą B1. Za pomocą pręta transferowego umieścić próbkę w komorze przygotowawczej B1. Gdy pręt transferowy powróci do swojego początkowego położenia, zamknij zawór między liniową komorą transferową a komorą przygotowawczą B1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Czyszczenie na miejscu uchwytu próbki
	<ol>
		<li>Otwórz zawór argonowy, aby osiągnąć ciśnienie 5 x 10-5 mbar.</li>
		<li>Ustaw powierzchnię uchwytu próbki w pionie, tak aby była skierowana w stronę pistoletu jonowego (IG10/35, patrz Tabela materiałów).</li>
		<li>Włączyć pistolet jonowy, aby rozpocząć rozpylanie jonów (prąd emisji 2 keV, 10 mA) i kontynuować czyszczenie przez 10 minut. Wyłączyć pistolet jonowy.</li>
		<li>Doprowadzić termoparę do kontaktu z uchwytem próbki, a następnie włączyć grzałkę wiązki elektronicznej, aby wyżarzać próbkę w temperaturze 773 K przez 5 minut. Po początkowym wzroście (do zakresu 10-7 mbar) ciśnienie spada z powrotem do około 10-8 mbar, co wskazuje na zakończenie odgazowywania. Wyłączyć grzejnik elektroniczny i pozwolić próbce ostygnąć do temperatury pokojowej (RT).</li>
		<li>Otworzyć zawór między komorą przygotowawczą B1 a liniową komorą transferową, a następnie umieścić uchwyt próbki na wózku za pomocą pręta transferowego. Zamknij zawór komory B1.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Charakterystyka uchwytu próbki 
	UWAGA: Pomiary rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów o wysokiej rozdzielczości (XPS) wykonano przy użyciu analizatora półkulistego (patrz tabela materiałów). Źródło mikroogniskowania (patrz tabela materiałów) wyposażone w monochromator i pracujące z mocą 120 W zostało użyte do wytworzenia promieniowania Al Kα (E = 1 486,6 eV). Kalibrację spektrometru przeprowadzono przy użyciu linii 4f7/2 metalu Au, dającej wartość 83,9(1) energii wiązania eV (BE), oraz linii 2p3/2 metalu Cu przy 932,7(1) eV BE.
	<ol>
		<li>Przeniesienie wagonu za pomocą pilota za pomocą programu LTC do pozycji komory analitycznej A4. 
		UWAGA: Ciśnienie tła w komorze analitycznej wynosi 2 x 10−10 mbar.</li>
		<li>Otworzyć zawór komory analitycznej A4 i za pomocą pręta transferowego pobrać próbkę z liniowej komory transferowej do komory analitycznej A4. Zamknąć zawór komory analitycznej A4.</li>
		<li>Przenieś próbkę do pozycji analizy za pomocą programu akwizycyjnego (<silna klasa="xfig">Rysunek 3).</li>
		<li>Włączyć wodę chłodzącą i źródło promieniowania rentgenowskiego spektrofotometru (napięcie anodowe = 15 keV, prąd emisji = 120 mA).</li>
		<li>Rozpocznij akwizycję danych za pomocą programu do akwizycji (Rysunek 3). 
		UWAGA: Optymalizację pozycji próbki można przeprowadzić za pomocą programu akwizycji, aby uzyskać maksymalną intensywność sygnału. 
		UWAGA: Widma fotoemisyjne zostały pobrane z powierzchni próbki przechowywanej w RT.</li>
		<li>Rozpocznij pomiar widma przeglądowego przy użyciu następujących parametrów: KEini = 100 eV, KEfin = 1,500 eV, czas skanowania = 300 s, liczba punktów = 1,401, energia przejścia = 50 eV, szczelina = średnica 7 x 20 mm,tryb = 1,5 keV/tryb średniego obszaru. 
		UWAGA: Brak piku C1s przy około 284,5 eV BE wskazuje, że powierzchnia jest czysta.</li>
		<li>Rozpocznij akwizycję widma na poziomie rdzenia Au4f o następujących parametrach: KEini = 1 396,6 eV, KEfin = 1 406,6 eV, czas skanowania = 60 s, liczba punktów = 201, energia przejścia = 30 eV, szczelina = średnica 6 mm, tryb = 1,5 keV/tryb średniego obszaru. 
		UWAGA: Ten ostatni pomiar zostanie porównany z widmem po osadzeniu folii UO2 na złotej folii w celu oceny odpowiedniej grubości folii.</li>
		<li>Po przeanalizowaniu powierzchni uchwytu próbki (folia Au) należy otworzyć zawór komory analitycznej A4, aby ustawić uchwyt próbki na wagonie w liniowej komorze transferowej za pomocą pręta przenoszącego.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Przygotowanie cienkiej warstwy
UWAGA: Cienkie warstwy tlenku uranu są przygotowywane in situ przez rozpylanie prądem stałym (DC) przy użyciu tarczy uranowej i mieszaniny gazów o ciśnieniu cząstkowym Ar (6 N) i O2 (4,5 N).
<ol>
	<li>Osadzanie filmu UO2
	<ol>
		<li>Przenieść wóz z uchwytem próbki do pozycji komory przygotowawczej B2 za pomocą pilota zdalnego sterowania za pomocą programu LTC.</li>
		<li>Otworzyć zawór komory przygotowawczej B2 i za pomocą pręta przenoszącego umieścić uchwyt próbki pod źródłem napylania, znajdującym się pośrodku B2. 
		UWAGA: Przed procesem rozpylania upewnij się, że migawka źródła rozpylania jest zamknięta.</li>
		<li>Zamknij zawór, aby odizolować komorę B2 od liniowej komory przesyłowej. Następnie otwórz zawórO2 i wyreguluj ciśnienie parcjalne tlenu na 2,5 x 10−5 mbar. Otwórz gaz zaworu argonowego, aby osiągnąć ciśnienie parcjalne 5 x 10−3 mbar.</li>
		<li>Użyj programu do rozpylania (<silna klasa="xfig">Rysunek 4), aby wprowadzić następujące parametry: czas osadzania = 300 s, docelowe napięcie uranu = -700 V, prąd docelowy uranu = 2 mA, nagrzewanie żarnika = 3,3 V/3,9 A, napięcie robocze żarnika = 40 V. 
		UWAGA: Poczekaj około 120 s rozpylania przy zamkniętej przesłonie źródła rozpylania.</li>
		<li>Uruchom timer natychmiast po otwarciu migawki źródła napylania, aby umożliwić osadzenie UO2 na folii Au. 
		UWAGA: Aby pracować przy niskim ciśnieniu Ar bez stabilizacji pól magnetycznych, umożliwiono wstrzykiwanie energii 25-50 eV (ustawienie triodowe) w celu utrzymania plazmy w diodzie.</li>
		<li>Zatrzymaj rozpylanie po 300 s za pomocą odpowiedniego programu i zamknij zawory gazowe Ar i O2. 
		UWAGA: Niebieskie światło plazmy zniknie, a wszystkie parametry rozpylania spadną do zera. 
		UWAGA: Poczekaj, aż ciśnienie w komorze przygotowawczej B2 osiągnie 10-8 mbar.</li>
		<li>Wprowadzić próbkę do komory przygotowawczej B1 i w celu uzyskania płynnego wyżarzania próbki włączyć grzałkę wiązki elektrycznej i ustawić temperaturę na 573 K. 
		UWAGA: Odczekaj od 3 do 5 minut przed zatrzymaniem ogrzewania.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Charakterystyka próbki UO2 
	UWAGA: W celu scharakteryzowania próbki za pomocą XPS należy postępować zgodnie z tą samą procedurą, która została opisana w odniesieniu do charakterystyki posiadacza próbki.
	<ol>
		<li>Otworzyć zawór między komorą przygotowawczą B1 a liniową komorą transferową, aby przenieść próbkę do wagonu za pomocą pręta transferowego. Ustawić pręt transferowy z powrotem w komorze przygotowawczej B1, a następnie zamknąć zawór, aby odizolować go od liniowej komory transferowej.</li>
		<li>Postępuj zgodnie z tą samą procedurą, co w krokach od 1.5.1 do 1.5.6. 
		UWAGA: Widmo przeglądowe umożliwia kontrolę jakości folii UO2 poprzez wykluczenie dodatkowych pików zanieczyszczeń (C1s, zanieczyszczenie krzyżowe z obudowy źródła napylania) i kontrolowanie (w przybliżeniu) stosunku U:O folii.</li>
		<li>Rozpocznij akwizycję poziomu rdzenia Au4f (podobne parametry jak w kroku 1.5.7).</li>
		<li>Przystąp do akwizycji U4f, O1s i pasma walencyjnego (VB) przy użyciu następujących parametrów: energia przejścia = 30 eV, szczelina = średnica 7 x 20 mm, tryb = 1,5 keV, powierzchnia średnia. 
		 
		U4f: KEini = 1 066,6 eVKE fin = 1 126,6 eV Czas skanowania = 300 s Liczba punktów = 601 
		O1s: KEini = 946,6 eVKE fin = 966,6 eV Czas skanowania = 300 s Liczba punktów = 201 
		Vb: KEini = 1 473,6 eVKE fin = 1 488,6 eV Czas skanowania = 1 800 s Liczba punktów = 601 
		 
		UWAGA: Uzyskane widma dla filmu UO2 są przedstawione w <silna klasa="xfig">Rysunek 5.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Utlenianie UO2 tlenem atomowym 
	UWAGA: Strumień atomów (patrz Tabela materiałów) jest określony na >10 16 atomów/cm2/s, co odpowiada ekspozycji do 20 s około 10 Langmuirów (tj. 1,33 x 10−3 Pa•s).
	<ol>
		<li>Przenieść wagon przewożący próbkę do komory przygotowawczej B3. Otwórz zawór komory przygotowawczej B3 i za pomocą pręta przenoszącego umieść próbkę wewnątrz B3 przed źródłem atomów. Zamknij zawór, aby odizolować komorę od liniowej komory przesyłowej.</li>
		<li>Ustaw temperaturę próbki na 573 K. Odczekaj 5 minut, aby próbka osiągnęła temperaturę uchwytu.</li>
		<li>Otwórz zawór tlenu i ustaw ciśnienie parcjalne na 1,2 x 10-5 mbar O2. Włącz wodę chłodzącą dla źródła atomów.</li>
		<li>Włącz źródło atomowe i ustaw prąd na 20 mA. Zwróć uwagę na dokładny czas utlenienia próbki źródłem atomowym. Jeśli czas utleniania jest zbyt krótki, utlenianie do UO3 może być niekompletne, jak podano w Rysunek 6.</li>
		<li>Odczekać 20 minut, aby osiągnąć całkowite utlenienie UO2 do UO3 i wyłączyć źródło atomowe przed zamknięciem zaworu tlenu. Gdy ciśnienie w komorze przygotowawczej B3 osiągnie 10-7 mbar, otwórz zawór, aby przenieść próbkę do wagonu znajdującego się w liniowej komorze transferowej. Następnie zamknij zawór komory przygotowawczej B3.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>AnalizaUO3 otrzymanego po utlenieniuUO2 tlenem atomowym
	<ol>
		<li>Przenieść próbkę do komory analitycznej zgodnie z krokami 1.5.1-1.5.6; następnie, w przypadku analiz, postępować zgodnie z tą samą procedurą, jak opisano w kroku 2.2.4. 
		UWAGA: Odpowiednie widma UO3 są przedstawione w Rysunek 7.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>RedukcjaUO3 przez wodór atomowy
	<ol>
		<li>Aby przenieść próbkę do komory przygotowawczej B3, należy postępować zgodnie z krokami 2.3.1 i 2.3.2.</li>
		<li>Otwórz zawór wodoru i ustaw ciśnienie parcjalne na 3 x 10-5 mbar. Włącz wodę chłodzącą dla źródła atomów. Włącz źródło atomowe i ustaw prąd na 30 mA.</li>
		<li>Odczekaj 60 s czasu redukcji przed wyłączeniem źródła atomowego. Zwróć uwagę na dokładny czas potrzebny do zredukowania próbki ze źródłem atomowym. Jeśli czas redukcji jest zbyt długi, to UO2+x jest dalej redukowany do UO2, jak podano w <silna klasa="xfig">Rysunek 8. Jeśli tak się stanie, próbka musi zostać ponownie utleniona tlenem atomowym (tak jak zrobiliśmy, aby uzyskać UO3), którego odpowiednie widma są przedstawione w <silna klasa="xfig">Rysunek 9.</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Analiza U2O5 otrzymanego po redukcjiUO3 wodorem atomowym
	<ol>
		<li>Przenieść próbkę do komory analitycznej zgodnie z krokami 1.5.1-1.5.6; następnie, w celu przeprowadzenia analiz, postępować zgodnie z tą samą procedurą, jak opisano w kroku 2.2.4. 
		UWAGA: Uzyskane widma U4f, O1s i VB są przedstawione w <silna klasa="xfig">Rysunek 10. Jako przykład niepełnej redukcji do U2O5 uzyskano podobne widma, jak pokazano na rysunku Rysunek 6.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Shoesmith, D. W., Sunder, S., Hocking, W. H. Electrochemistry of UO2 nuclear fuel. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aShoesmith%2C+DW+%22Electrochemistry+of+Novel+Materials%22">Electrochemistry of Novel Materials</a>. Lipkowski, J., Ross, P. N. , New York, N.Y. (1994).</li>
<li>Shoesmith, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fuel+corrosion+processes+under+waste+disposal+conditions%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Matter%22%5BJournal%5D)">Fuel corrosion processes under waste disposal conditions.</a> Journal of Nuclear Matter. 282, 1-31 (2000).</li>
<li>Gouder, T., Shick, A. B., Huber, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface+interaction+of+PuO2%2C+UO2%2Bx+and+UO3+with+water+ice%5BTitle%5D)+AND+%22Topics+in+Catalysis%22%5BJournal%5D)">Surface interaction of PuO2, UO2+x and UO3 with water ice.</a> Topics in Catalysis. 56, 1112-1120 (2013).</li>
<li>Cohen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Water+chemisorption+on+a+sputter+deposited+uranium+dioxide+film+-+Effect+of+defects%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Ionics%22%5BJournal%5D)">Water chemisorption on a sputter deposited uranium dioxide film - Effect of defects.</a> Solid State Ionics. 263, 39-45 (2014).</li>
<li>Seibert, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+use+of+the+electrochemical+quartz+crystal+microbalance+%28EQCM%29+in+corrosion+studies+of+UO2+thin+film+models%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Nuclear+Matter%22%5BJournal%5D)">The use of the electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) in corrosion studies of UO2 thin film models.</a> Journal of Nuclear Matter. 419, 112-121 (2011).</li>
<li>Majumder, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Syntheses+of+U3O8+nanoparticles+form+four+different+uranyl+complexes%3A+Their+catalytic+performance+for+various+alcohol+oxidations%5BTitle%5D)+AND+%22Inorganic+Chimica+Acta%22%5BJournal%5D)">Syntheses of U3O8 nanoparticles form four different uranyl complexes: Their catalytic performance for various alcohol oxidations.</a> Inorganic Chimica Acta. 462, 112-122 (2017).</li>
<li>Gouder, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+observation+of+pure+pentavalent+uranium+in+U2O5+thin+films+by+high-resolution+photoemission+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Direct observation of pure pentavalent uranium in U2O5 thin films by high-resolution photoemission spectroscopy.</a> Scientific Reports. 8, 1-7 (2018).</li>
<li>Rundle, R. E., Baeziger, N. C., Wilson, A. S., MacDonald, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+structures+of+the+carbides%2C+nitrides+and+oxides+of+uranium%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">The structures of the carbides, nitrides and oxides of uranium.</a> Journal of the American Chemical Society. 70, 99(1948).</li>
<li>Hoekstra, H. R., Siegel, S., Gallagher, F. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+uranium-oxygen+system+at+high+pressure%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Inorganic+and+Nuclear+Chemistry%22%5BJournal%5D)">The uranium-oxygen system at high pressure.</a> Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 32, 3237(1970).</li>
<li>Kovba, L. M., Komarevtseva, N. I., Kuz'mitcheva, E. U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+crystal+structures+of+U13O34+and+delta-U2O5%5BTitle%5D)+AND+%22Radiokhimiya%22%5BJournal%5D)">On the crystal structures of U13O34 and delta-U2O5.</a> Radiokhimiya. 21, 754(1979).</li>
<li>Teterin, Y. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+study+of+synthetic+and+natural+uranium+oxides+by+X-ray+photoelectron+spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Physics+and+Chemistry+of+Minerals%22%5BJournal%5D)">A study of synthetic and natural uranium oxides by X-ray photoelectron spectroscopy.</a> Physics and Chemistry of Minerals. 7, 151-158 (1981).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Wstępne wyniki uzyskane na cienkich warstwach U2O5 o grubości około 30 monowarstw (ML), wraz z odpowiadającą im spektroskopii na poziomie rdzenia uzyskaną za pomocą wysokorozdzielczej spektroskopii fotoemisyjnej promieniowania rentgenowskiego, zostały opisane w poprzedniej publikacji7. Ewolucję stanu uranu podczas procesu utlenianiaUO2 doUO3 opisano za pomocą widm fotoelektronów rentgenowskich uzyskanych na cienkich warstwach o grubości od dwóch do 50 warstw w szerokim zakresie stosunku O:U (Rysunek 11, Rysunek 12). Utlenianie i redukcję filmu uzyskano poprzez wystawienie folii na działanie odpowiednio tlenu atomowego i wodoru atomowego. Jednorodność warstw o stopniach utlenienia uranu od IV do VI można było potwierdzić ze względu na ich małą grubość i temperatury reakcji. Cienkie warstwy tlenków uranu osadza się na podłożu za pomocą rozpylania prądem stałym za pomocą źródła rozpylania opracowanego w JRC Karlsruhe. Źródło napylania jest zainstalowane w komorze utrzymywanej w bardzo wysokiej próżni, podobnie jak wszystkie komory Labstation. Podczas gdy UO2 można otrzymać bezpośrednio, filmy UO3 i U2O5 uzyskuje się dopiero po dalszej obróbce tlenem atomowym i wodorem atomowym. Energia wiązania głównych pików i ich położenia satelitarnego pozwala na rozróżnienie stopni utlenienia uranu w warstwach tlenku uranu wytworzonych in situ. Spektroskopia o wysokiej rozdzielczości jest niezbędna do rozróżnienia różnych stopni utlenienia, ponieważ energie wiązania satelitów są bliskie i mają niską intensywność.
W 1948 roku po raz pierwszy zidentyfikowano czysty pięciowartościowy uran U2O5 8. Później opisano jego syntezę w oparciu o wysoką temperaturę (673-1 073 K) i wysokie ciśnienie (30-60 kbar) mieszaninyUO2 i U3O89. Jednak istnienie i stabilność U2O5 w warunkach temperatury i ciśnienia otoczenia zostały zakwestionowane, co sugeruje dolną granicę x = 0,56-0,6 dla obszaru jednofazowego poniżej U3O810. Do tej pory przygotowanie U2O5 pod wysokim ciśnieniem i temperaturą lub podczas procesu termoredukcji nie było powtarzalne; Często nie było możliwe przypisanie otrzymanym próbkom pojedynczego stopnia utlenienia. Część preparatu próbki zbiorczej U2O5 występowała jako mieszaninyUO2 lubUO3 ze współistnieniem U(V) z U(IV) lub U(VI), jak dla U4O9 i U3O8. Na przykład Teterin i wsp.11 opisali proces wymywania U3O8 w kwasie siarkowym, a następnie obróbki termicznej w atmosferze helu, twierdząc, że wyniki były związane z U2O5. Wniosek ten można łatwo wykluczyć ze względu na wynikającą z tego dwupikową strukturę w ich widmach XPS. Mieszanina gatunków U(V) i U(VI) może wyjaśnić wynik, wykluczając powstanie pojedynczego stopnia utlenienia U(V) oczekiwanego dla U2O5 .
Nasza metoda przygotowania pozwala na otrzymywanie cienkich warstw tlenku uranu o pojedynczych stopniach utlenienia U(IV), U(VI) i U(V). Cały proces przygotowania próbki odbywa się in situ w urządzeniu utrzymywanym w ultrawysokiej próżni. Stwierdzono, że redukcjaUO3 przez wodór atomowy nie przebiega doUO2 , ale może być zatrzymana na U(V). Bardzo ważny jest czynnik czasu, a także temperatura próbki podczas procesu redukcji. Za pomocą spektrometru fotoemisyjnego o wysokiej rozdzielczości wykazano, że czysta próbka U2O5 może być przygotowana in situ. Przygotowanie grubszych warstw powinno być kolejnym krokiem w badaniu struktury krystalograficznej i właściwości sypkich technikami ex situ .

Tlenek uranu jest głównym składnikiem odpadów jądrowych, a jego rozpuszczalność w wodzie jest związana ze stopniem utlenienia uranu, wzrastającym z U(IV) do U(VI). Tak więc utlenianie UO2+x podczas składowania geologicznego jest ważną i kluczową kwestią bezpieczeństwa1,2. Motywuje to do badań nad mechanizmami reakcji rządzącymi oddziaływaniami powierzchniowymi między tlenkami uranu a środowiskiem3,4,5,6. Wiedza ta ma zasadnicze znaczenie dla wszystkich aspektów przetwarzania odpadów z jądrowych cykli paliwowych.
Podczas gdy czterowartościowy i sześciowartościowy uran są dobrze znane i powszechne jako systemy półprzewodnikowe, nie dotyczy to uranu pięciowartościowego, pomimo jego stabilności w kompleksach uranylu i występowania w roztworze wodnym. W tlenkach uranu U(V) jest uważany za metastabilny produkt pośredni i nie jest podawany jako jednostanowy, ale raczej jako współistniejący z gatunkami U(IV) i U(VI). Z tego powodu nie zgłoszono żadnych doniesień na temat właściwości chemicznych i fizycznych U2O5. Wynika to również z powszechnej cechy eksperymentów korozyjnych, w których próbki są wystawione na działanie środowiska korozyjnego. Tworzy to stromy gradient stopni utlenienia między powierzchnią (wystawioną na działanie utleniaczy) a dużą częścią próbki. Zmiana odbywa się w obrębie głębokości analizy. W ten sposób różne stopnie utlenienia są obserwowane jednocześnie, nie z powodu mieszanej wartościowości, ale jako artefakt niekompletnej reakcji, w wyniku której powstaje niejednorodna warstwa. Te dwa problemy można rozwiązać, stosując cienkie folie zamiast próbek zbiorczych. Dużą liczbę różnorodnych systemów można przygotować przy użyciu niewielkiej ilości materiału wyjściowego, a gradient powierzchniowo-masowy jest unikany, ponieważ nie ma masy.
Opisana tutaj metoda pozwala na przygotowanie in situ bardzo cienkiej warstwy (kilkadziesiąt warstw atomowych osadzonych na obojętnym podłożu) i analizę jej powierzchni bez kontaktu z atmosferą. Jest to jedna z zalet Labstation (<silna klasa="xfig">Rysunek 1), która jest modułową maszyną złożoną z różnych komór utrzymywanych w dynamicznej ultrawysokiej próżni (UHV), osiągającej ciśnienie 10-9-10-11 mbar. Komory przeznaczone są do otrzymywania cienkich warstw, obróbki powierzchni (adsorpcji gazów) oraz charakteryzowania technikami spektroskopii powierzchniowej [np. rentgenowska spektroskopia fotoelektronów (XPS), ultrafioletowa spektroskopia fotoelektronów (UPS), niskoenergetyczna spektroskopia dyfrakcji elektronów (LEED)]. Próbki są montowane na specjalnych uchwytach na próbki i przenoszone między różnymi komorami przez liniową komorę transferową za pomocą wagonu transportowego. Wszystkie komory są połączone z tą centralną komorą za pomocą zaworu, dzięki czemu można je odizolować w dowolnym momencie (np. w celu napełnienia gazem lub serwisowania). Rekuperacja uchwytu próbki/próbki z liniowej komory transferowej odbywa się za pomocą pręta transferowego zamontowanego na każdej komorze. System bazowy Labstation został wyprodukowany przez firmę zewnętrzną (patrz tabela materiałów). Rozszerzenia i modyfikacje były następnie dodawane w zależności od wymagań eksperymentalnych, w wyniku czego JRC Karlsruhe posiada unikalne wyposażenie. Rozszerzenia obejmują źródło napylania (podstawowy element do przygotowania cienkiej warstwy), które zostało opracowane wewnętrznie wraz z programami do napylania i akwizycji danych. Załadunek uchwytu próbki/próbki z atmosfery otoczenia do ultrawysokiej próżni odbywa się za pomocą komory blokady załadunku specjalnie zaprojektowanej do obsługi wielu próbek i zminimalizowania czasu do osiągnięcia ciśnienia końcowego około 10-8-10-9 mbar, ograniczając w ten sposób zanieczyszczenie powietrza w systemie. Stacja laboratoryjna jest wynikiem wieloletniego doświadczenia i wiedzy specjalistycznej w dziedzinie nauk o powierzchni w JRC Karlsruhe.
Aby przejść z jednej komory do drugiej, próbka jest montowana na wagonie transportowym napędzanym zewnętrznym magnesem, sterowanym przez program komputerowy (Rysunek 2) i poruszającym się wzdłuż liniowej komory transferowej o długości około 7 m do predefiniowanych pozycji zatrzymania przed komorami.
Bez podobnej lub bliskiej instalacji, eksperyment może być trudny do odtworzenia. Instalacja ta przyczynia się jednak do rozwoju laboratorium PAMEC, które uczestniczy w programie otwartego dostępu w JRC, w ramach którego użytkownicy zewnętrzni są zapraszani do składania wniosków ocenianych przez panel międzynarodowych ekspertów naukowych. Ich ocena umożliwia następnie użytkownikom dostęp do infrastruktury obsługiwanej przez JRC. Na prośbę i w ramach współpracy można przygotować cienkie folie dla użytkowników zewnętrznych do analiz i eksperymentów przeprowadzanych poza JRC Karlsruhe.
W tym raporcie przedstawiamy szczegółowy protokół wzrostu cienkich warstw jednowartościowych U2O5, uzyskanych przez kolejne etapy obejmujące utlenianie i redukcję UO2 odpowiednio tlenem atomowym i atomowym wodorem. W przeciwieństwie do UO2 i UO2+x, bezpośrednie osadzanie filmów U2O5 i UO3 przez rozpylanie DC nie może być wykonane. Dlatego najpierw przystępujemy do osadzania filmu UO2, utleniamy go do UO3 za pomocą tlenu atomowego, a następnie redukujemy z powrotem do U2O5 za pomocą wodoru atomowego. Czasy utleniania i redukcji oraz temperatura próbki podczas procesu mają wpływ na wynik i są ważne do opanowania. Poprawny skład zweryfikowano za pomocą rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów o wysokiej rozdzielczości, która dostarcza bezpośrednich i ilościowych dowodów na konfigurację elektronową uranu 5f1, zgodnie z oczekiwaniami dla U(V).

<table><tbody><tr><td>1-abarykowa pompa próżniowa sucho-spiralna</td><td>Agilent</td><td>SH-100</td><td>Wszystkie komory z wyjątkiem B1</td></tr><tr><td>Pompa 1ary</td><td>EDWARDS</td><td>nXDS10i 100/240V</td><td>B1</td></tr><tr><td>komora Aceton</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Program akwizycji</td><td>Opracowany we własnym</td><td></td><td></td></tr><tr><td>zakresie Specyfikacja analizatora</td><td></td><td>Phoibos 150 półkulisty&nbsp;</td><td>Komora A4</td></tr><tr><td>Argon</td><td>BASI</td><td></td><td>6N</td></tr><tr><td>Źródło atomowe</td><td>Źródło plazmy GenII</td><td>Komora Tectra</td><td>B3</td></tr><tr><td>folia Au</td> Program <td>Goodfellow</td><td></td><td></td></tr><tr><td>CasaXPS</td><td>CasaXPS</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Miernik próżni 1ary&nbsp;</td><td>PFEIFFER</td><td>TPR 280 (2011/10)</td><td>Wszystkie komory</td></tr><tr><td>Miernik próżni 2ary&nbsp;</td><td>VACOM</td><td>ATMION ATS40C</td><td>Wszystkie komory</td></tr><tr><td>Wodór gazowy</td><td>BASI</td><td></td><td>6N</td></tr><tr><td>Źródło pistoletu jonowego</td><td>Dane techniczne</td><td>Komora IG10/35</td><td>B1</td></tr><tr><td>Program transferu liniowego</td><td>Dane techniczne Program dostarczany</td><td></td><td>ze stacją</td></tr><tr><td>Program Origin&nbsp;</td><td>Pochodzenie</td><td>OriginPro 8.1SRO</td><td></td></tr><tr><td>Tlen gazowy</td><td></td><td></td><td>6N</td></tr><tr><td>Sampler Zasilacz grzałki e-beam</td><td>Dane techniczne:</td><td>Komora SH100</td><td>B1</td></tr><tr><td>Grzałka rezystancyjna próbnika</td><td>Wykonany we własnym</td><td>zakresie zasilacz +</td><td>komora Eurotherm B3</td></tr><tr><td>Program</td><td></td><td></td> napylania <td>Opracowany we własnym zakresie</td></tr><tr><td>Podłoże ze stali nierdzewnej lub molibdenu</td><td>w dom</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ta drut</td><td>Goodfellow</td><td></td><td></td></tr><tr><td>turbo pompa</td><td>PFEIFFER</td><td>TC 400</td><td>Wszystkie komory&nbsp;</td></tr><tr><td>Cel uranu</td><td>w domu</td><td>w domu Cel</td> z <td>naturalnego uranu</td></tr><tr><td>Sterownik wakuometru</td><td>VACOM</td><td>MVC-3</td><td>Wszystkie komory</td></tr><tr><td>Źródło promieniowania rentgenowskiego</td><td>Specyfikacja</td><td>XRC-1000 MF</td><td>Wyposażony w monochromator</td></tr></tbody></table>

u2o5 przygotowanie filmu za pomocą uo2 osadzanie przez rozpylanie prądem stałym oraz sukcesywne utlenianie i redukcję tlenem atomowym i wodorem atomowym

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

Opisujemy metodę produkcji filmów U2O5 in situ za pomocą Labstation, modułowej maszyny opracowanej w JRC Karlsruhe. Labstation, będąca istotną częścią laboratorium Właściwości aktynowców w warunkach ekstremalnych (PAMEC), umożliwia przygotowanie filmów i badania powierzchni próbek przy użyciu technik analizy powierzchni, takich jak spektroskopia fotoemisyjna rentgenowska i ultrafioletowa (odpowiednio XPS i UPS). Wszystkie badania są wykonywane in situ, a folie, przenoszone w ultra wysokiej próżni z ich przygotowania do komory analitycznej, nigdy nie mają kontaktu z atmosferą. Początkowo film UO2 jest przygotowywany przez napylanie prądem stałym (DC) na złotej folii (Au), a następnie utleniany tlenem atomowym w celu wytworzenia filmu UO3. Ten ostatni jest następnie redukowany wodorem atomowym do U2O5. Analizy są wykonywane po każdym etapie obejmującym utlenianie i redukcję, przy użyciu spektroskopii fotoelektronów o wysokiej rozdzielczości w celu zbadania stopnia utlenienia uranu. Rzeczywiście, czasy utleniania i redukcji oraz odpowiadająca im temperatura podłoża podczas tego procesu mają poważny wpływ na wynikowy stopień utlenienia uranu. Zatrzymanie redukcji UO3 do U2O5 za pomocą pojedynczego U(V) jest dość trudne; Po pierwsze, układy uranowo-tlenowe występują w wielu fazach pośrednich. Po drugie, różnicowanie stopni utlenienia uranu opiera się głównie na pikach satelitarnych, których piki intensywności są słabe. Eksperymentatorzy powinni również mieć świadomość, że spektroskopia rentgenowska (XPS) jest techniką o czułości atomowej od 1% do 5%. Dlatego ważne jest, aby uzyskać pełny obraz stopnia utlenienia uranu z całymi widmami uzyskanymi na U4f, O1s i paśmie walencyjnym (VB). Programy używane w Labstation obejmują program do transferu liniowego opracowany przez firmę zewnętrzną (patrz tabela materiałów), a także programy źródłowe do akwizycji danych i rozpylania, oba opracowane wewnętrznie.

Identyfikację U(V) można łatwo przeprowadzić na podstawie charakterystycznej energii satelity shake-up towarzyszącego charakterystycznemu dubletowi U4f . Energia wiązania, przy której pojawia się satelita związany z wewnętrznymi procesami utraty energii, zależy od stopnia utlenienia uranu.
Widma fotoemisji rentgenowskiej dla poziomu powłokowego 4f uranu zarejestrowano dla U(IV) w UO2 (krzywa czerwona), U(V) w U2O5 (krzywa zielona) oraz U(VI) w UO3 (krzywa różowa), a następnie porównano je z U(0) w metalicznym uranie (krzywa czarna) w lewej części Rysunku 11. Odpowiednie widma poziomu powłokowego O1s zostały nałożone na siebie i przedstawione w prawej części Rysunku 11.
W środkowej części Rysunku 11 piki poziomu rdzeniowego U4f7/2 zostały przesunięte tak, aby pokrywały się z liniami głównymi (górna połowa), co umożliwia wizualizację różnicy energii (ΔE) między satelitą a linią główną (dolna połowa). Wraz ze wzrostem stopnia utlenienia różnica energii zwiększa się, podczas gdy intensywność satelity maleje. Widma uzyskano z cienkich warstw o grubości około 20 monowarstw. Pik energii satelity oraz linia emisyjna 4f5/2 (4f7/2) posłużyły jako wskaźnik stopnia utlenienia atomów uranu. Widma pasma walencyjnego UO2, U2O5 i UO3 uzyskane z tych samych warstw przedstawiono na Rysunku 12.
Widma opisane w protokole odpowiadają filmom UO2 (Rysunek 5>) otrzymanym po osadzaniu w komorze przygotowawczej B2. Film ten jest następnie utleniany tlenem atomowym. W zależności od czasu utleniania, wynikiem może być UO2+x (jak przedstawiono na Rysunku 6>) lub UO3 (jak przedstawiono na Rysunku 7>). Ponadto, jeśli redukcja atomowa wodorem UO3 trwa zbyt długo, powróci on do postaci UO2, jak pokazano na Rysunku 8>. W takim przypadku powinno nastąpić ponowne utlenienie do UO3, jak przedstawiono na Rysunku 9>, przed ponowną redukcją przez odpowiedni czas w celu uzyskania U2O5, co zaprezentowano na Rysunku 10>. Wyniki pokazują, że procesy utleniania i redukcji są całkowicie odwracalne.
<img alt="Schemat blokowy Labstation przedstawiający etapy przygotowania próbek, analizy i transferu wraz z konfiguracją aparatury." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1: Zdjęcie i schemat urządzenia Labstation opracowanego w JRC Karlsruhe w celu umożliwienia badań nauki o powierzchniach in situ. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Interfejs sterowania sprzętem naukowym do analizy próżniowej; ekran ustawień spektroskopii." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 2"> 
Rycina 2: Zrzut ekranu programu sterującego transferem liniowym. Program umożliwia przesuwanie wózka z próbkami (I do V) wzdłuż komory transferu liniowego do różnych pozycji w komorze. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Interfejs oprogramowania do akwizycji danych spektroskopowych, wyróżniający ustawienia kanałów i opcje analizy." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 3"> 
Rysunek 3: Zrzut ekranu programu do akwizycji. Po wprowadzeniu warunków pomiarowych można automatycznie przeprowadzić serię pomiarów po włączeniu generatora promieni Rentgena. Okno pozycji próbki umożliwia rozmieszczenie próbki w komorze analizy. Regulacja wzdłuż osi x, y, oraz z może być wykonana w celu optymalizacji intensywności sygnału. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Interfejs systemu rozpylania pokazujący sterowanie napięciem i prądem dla procesu osadzania cienkich warstw." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 4"> 
Rycina 4: Zrzut ekranu programu sterującego rozpylaniem. Warunki rozpylania można wybrać za pomocą tego programu opracowanego wewnętrznie. Wśród zmiennych do zdefiniowania znajdują się napięcia grzejne i robocze włókna oraz napięcia do dwóch tarcz. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres spektroskopii fotoelektronów emitowanych promieniowaniem rentgenowskim pokazujący piki energii wiązania elektronów UO₂, analizy U4f, O1s." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Widma U4f, O1s oraz pasma walencyjnego po osadzeniu warstwy UO2, pomierzone za pomocą wysokorozdzielczej spektroskopii fotoemisji rentgenowskiej. Położenia piku i satelity są charakterystyczne dla próbki UO2. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Wykres spektroskopii fotoelektronów emitowanych rentgenowsko; stopnie utlenienia uranu; analiza energii wiązania." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Widma U4f, O1s oraz pasma walencyjnego po utlenianiu UO2 tlenem atomowym, zmierzone za pomocą wysokorozdzielczej spektroskopii fotoemisji rentgenowskiej. Czas utleniania jest zbyt krótki, w związku z czym utlenianie do UO3 jest niepełne. Pozycje satelitów i pików są charakterystyczne dla UO2+x, a nie dla UO3 przedstawionego na Rycini 7. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig6large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Widma XPS dla UO₃: piki U4f, O1s, O2p, U5f, analiza energii wiązania, charakterystyka powierzchni." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Widma U4f, O1s oraz pasma walencyjnego zmierzone po utlenianiu filmu UO2 tlenem atomowym przy użyciu wysokorozdzielczej spektroskopii fotoelektronów rtg (XPS). Położenia pików i satelitów są charakterystyczne dla próbki UO3. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig7large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Widma XPS wykazujące piki U4f, O1s, U5f; wykres analizy stanów elektronowych i energii wiązania." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 8"> 
Rysunek 8: Widma U4f, O1s oraz pasma walencyjnego zmierzone po redukcji UO3 wodorem atomowym. Czas redukcji był zbyt długi, w związku z czym U2O5 uległ dalszej redukcji do UO2. Pozycje satelitów i pików są charakterystyczne dla UO2, a nie dla próbki U2O5 przedstawionej na Rysunku 10. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig8large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<img alt="Schemat widm XPS: analiza UO₃, piki U4f, O1s, O2p; energia wiązania; zmienność intensywności." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 9"> 
Rysunek 9U4f, O1 s or pasma walencyjnego próbki otrzymanej w Rysunek 8 i ponownie utleniony tlenem atomowym do UO3. Pozycje satelitów i pików są charakterystyczne dla UO3 próbka. Procesy redukcji i utleniania są zatem odwracalne. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig9large.jpg" target="_blank">Proszę kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>
<img alt="Diagram widm XPS, analiza UO2, energia wiązania, piki intensywności, badanie wzbudzenia elektronów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 10"> 
Rycina 10: Widma U4f, O1s oraz pasma walencyjnego po redukcji filmu UO3 za pomocą wodoru atomowego, zmierzone za pomocą wysokorozdzielczej spektroskopii fotoelektronów emitowanych promieniowaniem rentgenowskim (XPS).Pozycje piku i satelitów są charakterystyczne dla próbki U2O5. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig10large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Analiza widm fotoelektronów rentgenowskich; wykres pokazujący piki energii wiązania i intensywności U4f oraz O1s." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig11.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 11"> 
Rycina 11: Widma fotoemisji rentgenowskiej poziomów rdzeniowych U4f i O1s dla U(IV) w UO2 (krzywa czerwona), U(V) w U2O5 (krzywa zielona) oraz U(VI) w UO3 (krzywa różowa), zestawione z U(0) w metalicznym uranie (krzywa czarna). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig11large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
<img alt="Wykres spektroskopii fotoelektronów w promieniach X; energia wiązania UO3, U2O5, UO2, piki intensywności." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig12.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 12"> 
Rycina 12: Widma pasma walencyjnego dla U(IV) w UO2 (krzywa czerwona), U(V) w U2O5 (krzywa czarna) i U(VI) w UO3 (krzywa różowa). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig12large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>

Ten protokół przedstawia przygotowanie cienkich warstw U2O5 uzyskanych in situ w ultra wysokiej próżni. Proces ten polega na utlenianiu i redukcji warstw UO2 odpowiednio tlenem atomowym i wodorem atomowym.

U2O5 Przygotowanie filmu za pomocą UO2 Osadzanie przez rozpylanie prądem stałym oraz sukcesywne utlenianie i redukcję tlenem atomowym i wodorem atomowym

We describe a method to produce U2O5 films in situ using the Labstation, a modular machine developed at JRC Karlsruhe. The Labstation, an essential part ...

Tak więc po raz pierwszy udało nam się wytworzyć cienkie warstwy U2O5. Materiał ten jest bardzo trudny do wykonania, ponieważ znajduje się dokładnie pomiędzy dwoma bardzo stabilnymi tlenkami uranu: Uo2, Uo3. I właśnie dlatego poprzednie próby jego wykonania zakończyły się niepowodzeniem.W tym laboratorium udało nam się go wytworzyć w postaci cienkich warstw o grubości około 200 monowarstw. To bardzo niewiele, ale wystarczająco, aby zbadać jego właściwości fizykochemiczne, a w szczególności interakcję powierzchni z otoczeniem. Folie są osadzane z bardzo małych ilości materiałów wyjściowych i w ściśle kontrolowanych warunkach.W ten sposób skład powierzchni może być regulowany, a wyniki kontrolowane za pomocą promieniowania rentgenowskiego o wysokiej rozdzielczości do spektroskopii elektronowej. Oprócz tlenków w C2 można wytwarzać i badać azotki, węgliki i inne związki. Eksperymenty są przeprowadzane przy użyciu stacji laboratoryjnej w Joint Research Center Carlsruhe. Stanowisko laboratoryjne umożliwia przygotowanie filmów i analizę powierzchni próbek w C2, bez ekspozycji na działanie atmosfery.Wyobrażenie o stacji laboratoryjnej daje ten schemat. Istnieją komory do załadunku próbki i jej przechowywania, oznaczone od C1 "do C3" Po załadowaniu próbka znajduje się na uchwycie na próbkę i umieszczona na wagonie transportowym, który może poruszać się po liniowej komorze transportowej. Wózek i próbka mogą być przenoszone między różnymi komorami przygotowawczymi, oznaczonymi jako B1 "do B3" i komorami analitycznymi, oznaczonymi jako A1 "do A4"Pręty transferowe w każdej komorze umożliwiają transport uchwytu próbki do iz liniowej komory transferowej.Cały system jest utrzymywany w warunkach dynamicznej ultrawysokiej próżni. Sterowanie systemem odbywa się za pomocą komputerów zainstalowanych w laboratorium. Wziąć czyste podłoże ze złotej folii, przygotowane do osadzania Uo2, do komory załadowczej.Złote podłoże jest zgrzewane punktowo z uchwytem na próbki ze stali nierdzewnej za pomocą drutu tantalowego. Rozpocznij ładowanie od odizolowania komory załadowczej, a następnie otwórz zawór azotu i poczekaj, aż komora osiągnie ciśnienie atmosferyczne. Gdy wszystko będzie gotowe, otwórz drzwi komory i przesuń wózek na próbkę w miejsce do załadunku.Następnie umieść uchwyt na próbkę i próbkę na wózku. Umieść wózek z powrotem w komorze załadowczej i zamknij drzwi komory. Otwórz zawór podciśnienia pierwotnego.Gdy ciśnienie wynosi około 1 milibara, zamknij zawór. Następnie otwórz zawór pompy ultrawysokiej próżni. Za pomocą pręta transferowego komory załadowczej manipuluj uchwytem próbki i przenieś go do wagonu w komorze pośredniej.Zwróć pręt transferowy do komory załadowczej i zamknij zawór między komorą załadowczą a komorą pośrednią. Otwórz zawór między pośrednią a liniową komorą transferową. Umieść wagon w komorze transferowej i podłącz go do magnesu napędowego przed zamknięciem zaworu.Wróć do programu sterowania transferem liniowym. Aby przesunąć go z bieżącej pozycji, należy wybrać komorę kondycjonowania jako miejsce docelowe wagonu. Następnie naciśnij start, aby rozpocząć ruch.Wagon dociera do podstawy komory kondycjonowania, skąd zostanie załadowany. Otworzyć zawór z komory kondycjonowania i za pomocą pręta przenoszącego przesunąć uchwyt próbki do środka. Po odizolowaniu komory ustaw powierzchnię uchwytu próbki tak, aby była skierowana w stronę pistoletu jonowego, a następnie wyczyść go za pomocą rozpylania argonem przez dziesięć minut.Po zakończeniu doprowadź termoparę do kontaktu z uchwytem próbki i wyżarzaj próbkę przez pięć minut. Po ostygnięciu próbki należy umieścić uchwyt próbki z powrotem w komorze transferowej przed zamknięciem zaworu komory kondycjonowania. Użyj oprogramowania sterującego, aby przesunąć wagon do następnej komory w celu przeprowadzenia rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów o wysokiej rozdzielczości.Przenieś próbkę do komory i przygotuj się do pomiaru. Gdy próbka znajduje się w komorze, zwróć się do oprogramowania do akwizycji, aby ustawić ją do pomiaru. Gdy próbka jest gotowa, użyj oprogramowania do akwizycji, aby uzyskać widmo ogólne w celu sprawdzenia powierzchni.Brak piku S węgla-1 przy około 285 elektronowoltach jest znakiem, że powierzchnia jest czysta. Następnie zdobądź widmo na poziomie rdzenia gold-4 F do późniejszego wykorzystania. Zostanie on porównany z widmem Uo2 na złocie w celu określenia grubości warstwy.Po analizie przenieść próbkę z powrotem do liniowej komory transferowej za pomocą pręta kontrolnego. Wróć do oprogramowania sterującego transferem liniowym i przenieś wózek z uchwytem próbki do komory rozpylania prądem stałym. Umieścić uchwyt próbki pod źródłem rozpylania na środku komory.Przy zamkniętej żaluzji źródła napylania otwórz zawór tlenu i wyreguluj ciśnienie parcjalne tlenu. Następnie otwórz zawór gazowy argonu, aż do osiągnięcia docelowego ciśnienia parcjalnego. Przejdź do programu napylania, aby ustawić parametry procesu.Następnie otwórz migawkę źródła napylania i rozpylaj przez 300 sekund. Zatrzymaj rozpylanie i zamknij zawory argonu i tlenu. Przystąpić do przenoszenia uchwytu próbki z powrotem do liniowej komory transferowej.Za pomocą oprogramowania do sterowania transferem liniowym przenieś próbkę z powrotem do komory kondycjonowania. Odizoluj próbkę w tym miejscu i włącz grzałkę wiązki elektronowej, aby ustawić temperaturę 573 kelwinów w celu wyżarzania próbki. Po ustawieniu próbki do analizy zmierz widmo ogólne.Przenieść próbkę z powrotem do komory używanej do spektroskopii rentgenowskiej fotoelektronów o wysokiej rozdzielczości. Widmo to umożliwia monitorowanie jakości folii Uo2. Następnie zdobądź widmo poziomu rdzenia gold-4 F.Przystąp do uzyskania widma F-4 uranu-4. Ponadto uzyskaj 1-sekundowe widmo tlenu, zmieniając te parametry na podane wartości. Uzyskaj widmo pasma walencyjnego, używając tych wartości parametrów w oprogramowaniu.Z toru liniowego przenieś próbkę do komory źródła atomów, która może być używana zarówno do utleniania, jak i redukcji poprzez aktywację tlenu i wodoru. Gdy już się tam znajdzie, wyizoluj próbkę na miejscu i podgrzewaj ją w temperaturze 573 kelwinów przez 5 minut. Po odczekaniu otwórz zawór tlenowy i ustaw ciśnienie cząstkowe.Włącz źródło atomów i ustaw prąd na 30 miliamperów. Odczekaj 20 minut, aby osiągnąć całkowite utlenienie przed wyłączeniem źródła i zamknięciem zaworu tlenu. Zwrócić próbkę przez liniową komorę translacyjną do komory rentgenowskiej spektroskopii fotoelektronów.Po wyizolowaniu próbki w komorze XPS należy uzyskać widma uranu-4 F, tlenu-1 S i pasma walencyjnego, jak poprzednio. Jeśli czas redukcji jest zbyt krótki, widma będą miały cechy niepełnego utlenienia. W szczególności należy zwrócić uwagę na strukturę piku w widmach uranu-4 F i pasma walencyjnego.Rozpocznij od odzyskania próbki i wyizolowania jej w komorze źródła atomowego. Otwórz zawór wodoru i ustaw ciśnienie cząstkowe. Uruchom źródło atomowe, włącz je i ustaw prąd na 30 miliamperów.Po 60 sekundach czasu redukcji wyłącz źródło atomowe. W końcowych krokach należy zwrócić próbkę do komory spektroskopii fotoemisyjnej promieniowania rentgenowskiego. Przeanalizuj próbkę i scharakteryzuj redukcję, uzyskując widma uranu-4 F, tlenu-1 S i pasma walencyjnego.Podobnie jak w przypadku tych wykresów, widma ujawnią, czy czas redukcji jest zbyt długi, a U2O5 zmniejszył się do Uo2. Są to widma fotoemisyjne promieniowania rentgenowskiego uranu 4-F dla uranu-4 i Uo2, uranu-5 i U2O5 oraz uranu 6 i Uo3. Widmo dla uranu metalicznego ma charakter porównawczy.Dane pochodzą z folii składających się z około 20 monowarstw. Energia satelity uranowa-5 pozwala na łatwą identyfikację stopnia utlenienia. Na tym wykresie widma mają przesunięte pięcioczęściowe piki uranu-4 F w linii głównej, aby się zbiegły.Względne położenie satelity w stosunku do piku jest różne dla każdego stopnia utlenienia. Ta różnica stanowi kolejny identyfikator stopni utlenienia uranu. Analiza ta jest możliwa tylko przy użyciu spektroskopii o wysokiej rozdzielczości, ze względu na niską intensywność piku satelitarnego i niewielką różnicę energii wiązania w stosunku do piku głównego.Wytwarzanie cienkich warstw U2O5 jest możliwe, ale zatrzymanie procesu redukcji przy dokładnym składzie może być trudne, a nawet trudne do zaobserwowania bez spektroskopii o wysokiej rozdzielczości. Jest to więc nowy związek i będzie wiele właściwości do zbadania. Zaczniemy używać dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego kąta wypasu do zbadania właściwości strukturalnych.A potem przejdziemy do stanu właściwości magnetycznych tego związku, niektórych właściwości transportu elektrycznego, a także uzupełnimy badania struktury elektronowej za pomocą dostępnych technik, takich jak synchrotronowe źródła światła, takie jak elastyczne rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego. Badane są właściwości fizykochemiczne tego dość nietypowego stopnia utlenienia. Dane eksperymentalne można porównać z przewidywaniami teoretycznymi.W ten sposób nasz eksperyment służy jako punkt odniesienia dla modeli teoretycznych.

u2o5-film-preparation-via-uo2-deposition-direct-current-sputtering

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Opisujemy eksperymentalną metodę osadzania cienkich warstw nanostrukturalnych tlenków za pomocą nanosekundowego pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD) w obecności gazu tła. Dzięki tej metodzie można osadzać warstwy ZnO domieszkowane Alem (AZO), od zwartych po hierarchicznie ustrukturyzowane jak lasy nanodrzew.

Wytwarzanie nanoinżynieryjnych przezroczystych przewodzących tlenków za pomocą pulsacyjnego osadzania laserowego

Opisujemy zastosowanie pulsacyjnego osadzania laserowego (PLD), fotolitografii i technik łączenia drutów do tworzenia złożonych urządzeń tlenkowych w skali mikrometrycznej. PLD jest wykorzystywany do hodowli cienkich warstw epitaksjalnych. Wprowadza się techniki fotolitografii i łączenia drutowego w celu stworzenia praktycznych urządzeń do celów pomiarowych.

Wytwarzanie przestrzennie ograniczonych złożonych tlenków

Przedstawiono różne procedury przygotowania atomowo zdefiniowanych szablonów do epitaksjalnego wzrostu złożonych cienkich warstw tlenkowych. Przeprowadzono obróbkę chemiczną monokrystalicznych substratów SrTiO3 (001) i DyScO3 (110) w celu uzyskania atomowo gładkich, jednozakończonych powierzchni. Ca2 Nb3 O10- nanoarkusze wykorzystano do stworzenia atomowo zdefiniowanych szablonów na dowolnych podłożach.

Atomowo zdefiniowane matryce do epitaksjalnego wzrostu złożonych cienkich warstw tlenkowych

Tutaj prezentujemy protokół syntezy heterozłączy Zn1-xMgxO/Cu2O na wolnym powietrzu w niskiej temperaturze za pomocą przestrzennego osadzania warstwy atomowej pod ciśnieniem atmosferycznym (AP-SALD) Zn1-xMgxO na tlenku miedzi. Tak wysokiej jakości tlenki metali konforemnych mogą być hodowane na różnych podłożach, w tym na tworzywach sztucznych, za pomocą tej taniej i skalowalnej metody.

Poprawa jakości heterozłączy w ogniwach słonecznych na bazie Cu2O poprzez optymalizację ciśnienia atmosferycznego Przestrzenna warstwa atomowa osadzona Zn1-xMgxO

Przedstawiamy szczegółową metodę wytwarzania ultracienkich kolorowych folii o ulepszonych właściwościach dla powłok optycznych. Technika osadzania pod kątem ukośnym przy użyciu parownika wiązki elektronów pozwala na lepsze dostrajanie i czystość kolorów. Wytworzone warstwy Ge i Au na podłożach Si analizowano za pomocą pomiarów współczynnika odbicia i konwersji informacji o kolorze.

Wytwarzanie ultracienkich kolorowych filmów z mediami o wysokiej absorpcji przy użyciu osadzania pod kątem ukośnym

Poprzez siarkowanie wstępnie osadzonych metali przejściowych, można wytwarzać heterostruktury krystaliczne o dużej powierzchni i pionowe 2D. W niniejszym raporcie przedstawiono również procedury przenoszenia folii i produkcji urządzeń.

Otrzymywanie wielkopowierzchniowych pionowych heterostruktur krystalicznych 2D poprzez siarkowanie warstw metali przejściowych do wytwarzania urządzeń

Wytwarzamy heterostruktury metal/LaAlO3/SrTiO3 za pomocą kombinacji pulsacyjnego osadzania laserowego i napylania magnetronowego in situ. Poprzez eksperymenty magnetotransportu i spektroskopii rentgenowskiej fotoelektronów in situ badamy wzajemne oddziaływanie między zjawiskami elektrostatycznymi i chemicznymi quasi-dwuwymiarowego gazu elektronowego powstającego w tym układzie.

Wzrost i właściwości elektrostatyczne/chemiczne heterostruktur metali/LaAlO3/SrTiO3

Cienkie warstwy (100-1000 A) dwutlenku wanadu (VO2) zostały stworzone przez osadzanie warstwy atomowej (ALD) na podłożach szafirowych. Następnie scharakteryzowano właściwości optyczne poprzez przejście metal-izolator VO2. Na podstawie zmierzonych właściwości optycznych stworzono model opisujący przestrajalny współczynnik załamania światła VO2.

Osadzanie warstw atomowych dwutlenku wanadu i model optyczny zależny od temperatury

Przedstawiono syntezę wysokiej jakości cienkich warstw masowych i cienkich (Mg0.25(1-x)CoxNi,0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x))O i (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x))O stabilizowanych entropią.

Synteza masowa i cienkowarstwowa tlenków stabilizowanych entropią o zmiennym składzie

Tutaj prezentujemy protokół osadzania warstw tlenku niobu metodą rozpylania reaktywnego z różnymi prędkościami przepływu tlenu do wykorzystania jako warstwa transportująca elektrony w perowskitowych ogniwach słonecznych.

Warstwy tlenku niobu osadzone w procesie rozpylania reaktywnego: wpływ natężenia przepływu tlenu

Ta praca opisuje kompletny proces produkcji cienkich absorberów tellurku kadmu/tellurku selenu/tellurku kadmu dla zwiększenia wydajności. Proces wykorzystuje zautomatyzowany system próżniowy in-line do osadzania sublimacyjnego w bliskiej przestrzeni, który jest skalowalny, od produkcji urządzeń badawczych o małej powierzchni, a także modułów na dużą skalę.

Ultracienkie ogniwa słoneczne CdSeTe/CdTe osadzane sublimacyjnie w bliskiej przestrzeni dla zwiększenia gęstości prądu zwarciowego i fotoluminescencji

Poznaj metodę przygotowania filmów U2O5 w warunkach ultrawysokiego próżniowania z wykorzystaniem atomowego tlenu i wodoru. Technika ta umożliwia badanie właściwości fizykochemicznych rzadkich tlenków uranu.

U2O5 Przygotowanie filmu za pomocą UO2 Osadzanie przez rozpylanie prądem stałym oraz sukcesywne utlenianie i redukcję tlenem atomowym i wodorem atomowym (Wideo) | JoVE Journal

U₂O₅ Przygotowanie filmu za pomocą UO₂Osadzanie przez rozpylanie prądem stałym oraz sukcesywne utlenianie i redukcję tlenem atomowym i wodorem atomowym

Przeglądaj więcej filmów