이 프로토콜 초고 진공에서 U2O5 박막 얻은 현장에 준비를 제공합니다. 과정 각각 산화와 산소 원자와 원자 수소, UO2 영화의 감소를 포함.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
저자 아무 승인 있다.
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 |