このプロトコルは、超高真空下で U2O5得られた薄膜の場で準備を提示します。プロセスは、それぞれ酸化と UO2膜の酸素原子と水素原子の還元を行います。
我々 は、U2O5映画の in situ Labstation、JRC カールスルーエで開発した、モジュラー式の機械を使用して生成する方法をについて説明します。Labstation、極端な条件下 (PAMEC)、アクチノイドのプロパティの必須の部分により、薄膜の作製と表面 x 線、紫外光電子分光などの表面分析技術を使用しての研究分光 (XPS と UPS、それぞれ)。すべての研究その場で、作られています、フィルム、超高真空下での準備から分析室に転送大気と接触すること。当初は、UO2の映画は、UO3フィルムを製造する原子状酸素による酸化金 (Au) 箔の直流 (DC) スパッタ成膜によって準備されます。この後者は、原子状水素と、U2O5に減少します。解析は、酸化と還元、ウランの酸化状態を調べる高分解能光電子分光法を使ってを含む各ステップの後実行されます。確かに、酸化・還元の時間と対応するこのプロセスにおける基板温度、ウランの結果の酸化状態に深刻な影響があります。UO3 U2O5単一 U(V) 化の停止は非常に挑戦。まず、ウラン酸素システムは、多数の中間段階に存在します。第二に、ウランの酸化状態の分化は、その強度のピークが弱いサテライト ピークに主に基づいて。また、実験者は x 線分光法 (XPS) は原子の感度の 1% から 5% を用いる技法であることを認識する必要があります。したがって、U4 f、O1 s、価電子帯 (VB) の全体のスペクトルを持つウラン酸化状態の完全な画像を得ることが重要です。プログラムには、Labstation で使用される外部の会社が開発した線形伝達プログラムが含まれて (材料の表を参照)、データ集録、スパッタ ソース プログラム、両方は自社開発。
核廃棄物の主成分であるウラン酸化物、水に対する溶解性はウラン酸化状態、気に U(IV) から増加にリンクされます。したがって、地質貯蔵中に UO2 + x酸化は重要かつ不可欠な安全問題1,2です。これは、ウラン酸化物と環境3,4,5,6の表面の相互作用を支配する反応機構の研究を動機します。核燃料サイクルからの廃水を処理のすべての側面には、この知識が欠かせません。
4 価、6 価ウランは確立された、固体システムとして一般的なこれはウラニル錯体の安定性と水溶液中の発生にもかかわらず、五価のウランのためのケースではありません。ウラン酸化物における U(V) は準安定中間体、単一状態として、U(IV) や気の種との共存ではなく、それは報告されていません。このため、何も U2O5の化学的および物理的特性について報告されています。これはまた共通機能腐食実験、サンプル、腐食環境にさらされているが原因です。これは酸化状態 (酸化剤に露出) 表面とサンプルの大部分の間に急な勾配を作成します。分析深さ内で変化が起こる。したがって、異なる酸化状態はないため混合原子価ですが異種の層を引き起こす不完全な反応のアーチファクトとして同時に観察しました。バルクではなく薄膜を使用して、これらの 2 つの問題を解決できます。小さな出発原料と準備される多数の多様なシステムと一括がないため表面一括グラデーションは避け。
ここで報告されるメソッドには、非常に薄層 (原子層不活性基板上のいくつかの数十) の場で準備と大気と接触することがなく表面の分析ができます。これはモジュラーである Labstation (図 1) の利点の 1 つのマシンから成る別の部屋のもとに動的超高真空 (UHV) 10-9-10-11 mbar の圧力に達する。チャンバーは [例えば、x 線光電子分光法 (XPS)、紫外線光電子分光 (UPS)、低表面分光法による薄膜、表面処理 (ガス吸着)、および性格描写の準備に専念してエネルギー電子回折法 (LEED)]。サンプルは特定のサンプル ホルダーにマウントされている、輸送ワゴンを使用して線形伝達室を別の部屋の間で転送します。すべての部屋が弁を通ってこの中央の部屋に接続されているので、彼らは任意の時点で分離することができます (例:.、ガス充填かサービス)。各チャンバーにマウントされている転送ロッド サンプル ホルダー/サンプル線形転送室からの回復を実現します。Labstation の基本システムは、外部の会社が製造されています (材料の表を参照してください)。拡張と変更が JRC カールスルーエでユニークな機器に実験的要件によってその後に追加されました。拡張機能には、スパッタとデータ集録プログラムと一緒に社内開発したスパッタ ソース (薄膜作製の中核となる要素) が含まれます。サンプル ホルダー/サンプル周囲の雰囲気から超高真空への読み込みは行われます経由で複数検体の取扱いを行い、約 10-8-10 の最終的な圧力に到達する時間を最小限に抑えるように設計する、ロードロック室-9 mbar、したがってシステムの空気汚染を制限します。Labstation は、長年の経験と JRC カールスルーエ表面科学の分野の専門知識の結果です。
1 つの区域から別に渡す、サンプルは外部の磁石によって駆動される、コンピューター プログラム (図 2) によって制御されるの前にあらかじめ定義された位置に約 7 m の線形伝達室に沿って移動輸送ワゴンにマウントされて、チェンバーズ。
類似または閉じるインストールすることがなく実験が再現することは困難かもしれない。ただし、このインストールは、JRC、外部ユーザーは国際的な科学的な専門家のパネルによって提案のレビューを提出する招待でオープン アクセス プログラムに貢献する PAMEC 研究所に貢献します。評価しは、JRC が運営するインフラストラクチャにアクセスするユーザーをできます。要求後、コラボレーションのフレームに、薄膜が外部ユーザーの分析と JRC カールスルーエ外実験の準備できます。
このレポートでは、薄膜、酸化と UO2酸素原子と水素原子の還元を含むそれぞれの連続する手順によって得られる単価 U2O5の成長の詳細なプロトコルを提供します。UO2 UO2 + xとは異なり、U2O5と UO3 DC スパッタ膜の直接成膜ができません。したがって、我々 はまず UO2フィルムの成膜に進みます、UO3原子状酸素を用いた酸化、原子状水素による U2O5に戻ってそれを減らします。酸化と還元の回と処理中にサンプル温度の結果に影響を与えるマスターすることが重要です。正しい組成はウラン 5f1電子構成、直接的、定量的な証拠を提供する、U(V) の期待どおりに、高解像度の x 線光電子分光と確認されました。
U2O5 (ML) 約 30 単分子膜の薄膜の厚さ、高分解能の x 線光電子分光法を用いて対応するコア レベル分光と初期結果で報告されている、以前の文書7。O:U 比 (図 11の広い範囲で厚み 50 に 2 層の薄膜の x 線光電子スペクトルを通して報告された UO3に UO2の酸化プロセス中にウラン状態の進化図 12)。フィルム酸化と還元の映画は、それぞれ酸素原子と水素原子に映画を公開することによって得られました。IV から vi のウラン酸化状態と膜の均一性は、彼らの小さい厚さと反応温度のため確認でした。ウラン酸化物の薄膜は、直流 JRC カールスルーエで開発されたスパッタ ソース スパッタ法を用いた基板上に堆積します。スパッタ ソースはのもとに、Labstation のすべての部屋のような超高真空チャンバーにインストールされます。UO2は直接取得できます、UO3と U2O5フィルムは酸素原子と水素原子とさらに治療後だけ得られます。メインのピークとの衛星位置の結合エネルギーは、その場で生産されたウラン酸化物薄膜中におけるウランの酸化状態の区別を許可します。高分解能分光は、衛星の結合エネルギーが近いと低強度の異なる酸化状態を区別するために必要です。
1948 年に最初の時間8U2O5、純粋な五価ウランで確認されました。その後、その合成は、高温 (673 1,073 K) と高圧 (30-60 kbar) UO2と U3O89の混合物の記述されていた。ただし、存在と U2O5周囲の温度と圧力条件下での安定性が疑問視されて、 xの下限を示唆している = U3O810 以下単相領域の 0.56 0.6.これまでのところ、再現; U2O5または熱還元過程における高温高圧の準備ではできませんでした。多くの場合、それは得られたサンプルを単一酸化状態を割り当てることは可能でした。U2O5バルク試料の一部は U(IV) や気、U4O9 U3O8U(V) 共存 UO2または UO3の混合物として登場。例えば、Teterin ら11は U3O8結果 U2O5に関連していたことを主張する he 雰囲気下熱処理による続く硫酸浸出プロセスを報告しました。この結論は、XPS スペクトルの結果 2 ピーク構造のため簡単に除外できます。U(V) や気の種の混合物は、U2O5期待される単一 U(V) 酸化状態の形成を除く結果を説明できます。
準備の私達の方法では、U(V)、気、U(IV) の単一の酸化状態とウラン酸化物の薄膜の作製をことができます。サンプル準備の全体のプロセスは、場所その場で超高真空に維持装置内かかります。それが UO3水素原子の還元を UO2進まない U(V) で停止することができますが見つかりました。時間的要因は還元過程におけるサンプルの温度だけでなく、非常に重要です。高分解能光電子分光装置を用いた U2O5の純粋なサンプルが原を準備できることが示されました。厚いフィルムを準備する元場技術と結晶学的構造とバルク特性を見ることで次のステップをする必要があります。
The authors have nothing to disclose.
著者の謝辞があります。
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 |