U₂O₅ película preparación vía UO₂ deposición por Sputtering de corriente directa y sucesiva oxidación y reducción con oxígeno atómico y el hidrógeno atómico

Así que, por primera vez, hemos sido capaces de hacer películas delgadas de U2O5. Este material es muy difícil de hacer porque se encuentra justo entre dos óxidos de uranio muy estables: Uo2, Uo3. Y, esta es la razón por la que los intentos anteriores de hacerlo fracasaron.

En este laboratorio, logramos hacerlo, como películas delgadas de aproximadamente 200 monocapas de espesor. Esto es muy poco, pero suficiente para estudiar sus propiedades químicas físicas, y, en particular, la interacción de la superficie con el medio ambiente. Las películas se depositan a partir de cantidades muy pequeñas de materiales de partida, y en condiciones altamente controladas.

De esta manera, la composición de la superficie se puede ajustar, y los resultados controlados, por rayos X de alta resolución para la espectroscopia de electrones. Además de los óxidos, los nitridos, carburos y otros compuestos se pueden preparar y estudiar en C2. Los experimentos se realizan utilizando la estación de laboratorio en el Centro De Investigación Conjunta Carlsruhe. La estación de laboratorio permite la preparación de películas y el análisis de superficies de muestra en C2, sin exposición a la atmósfera.

Un sentido de la estación de laboratorio es proporcionado por este esquema. Hay cámaras para cargar una muestra, y para almacenarla, etiquetadas C1"a C3"Cuando se carga, la muestra está en un portacuchillas y se coloca en un carro de transporte que se puede mover en una cámara de transporte lineal. El carro y la muestra se pueden transferir entre diferentes cámaras de preparación, etiquetadas B1"a B3" y cámaras de análisis, etiquetadas A1"a A4"Barras de transferencia en cada cámara permiten el transporte del soporte de muestra hacia y desde la cámara de transferencia lineal.

Todo el sistema se mantiene bajo vacío ultra-alto dinámico. El control del sistema es a través de computadoras configuradas en el laboratorio. Lleve un sustrato de papel de oro limpio, preparado para la deposición de Uo2, a la cámara de carga.

El sustrato de oro está soldado por puntos a un soporte de muestra de acero inoxidable, con alambre de tantalio. Comience a cargar aislando la cámara de carga, luego abra la válvula de nitrógeno y espere hasta que la cámara alcance la presión atmosférica. Cuando esté listo, abra la puerta de la cámara y mueva el carro de muestra a su posición para la carga.

A continuación, coloque el portacuchillas y la muestra en el carro. Devuelva el carro a la cámara de carga y cierre la puerta de la cámara. Abra la válvula para el vacío primario.

Cuando la presión sea de aproximadamente 1 milibar, cierre la válvula. A continuación, abra la válvula a la bomba de vacío ultra alta. Usando la barra de transferencia de la cámara de carga, manipule el soporte de muestra y muévalo al carro en la cámara intermedia.

Vuelva a colocar la varilla de transferencia en la cámara de carga y cierre la válvula entre las cámaras de carga e intermedias. Abra la válvula entre la cámara de transferencia intermedia y lineal. Coloque el vagón en la cámara de transferencia y conéctelo al imán de accionamiento antes de cerrar la válvula.

Vuelva al programa de control de transferencia lineal. Para moverla desde su posición actual, seleccione la cámara de acondicionamiento como destino del carro. A continuación, pulse Start para iniciar el movimiento.

El vagón llega a la base de la cámara de acondicionamiento desde donde se cargará. Abra la válvula desde la cámara de acondicionamiento y utilice la varilla de transferencia para mover el soporte de muestra dentro. Con la cámara aislada, oriente la superficie del portacuchillas para hacer frente a la pistola iónica antes de limpiarla con pulverización de argón durante diez minutos.

Cuando haya terminado, ponga el termopar en contacto con el portacuchillas y recose la muestra durante cinco minutos. Después de que la muestra se haya enfriado, devuelva el portacuchillas a la cámara de transferencia, antes de cerrar la válvula de la cámara de acondicionamiento. Utilice el software de control para mover el carro a la siguiente cámara para una espectroscopia de fotoelectrón de rayos X de alta resolución.

Transfiera la muestra a la cámara y haga los preparativos para la medición. Con la muestra en la cámara, gire al software de adquisición para colocarla para la medición. Cuando la muestra esté lista, utilice el software de adquisición para obtener un espectro de visión general para comprobar la superficie.

La ausencia de un pico de Carbono-1 S en unos 285 voltios de electrones es una señal de que la superficie está limpia. A continuación, adquiera un espectro de nivel de núcleo gold-4 F para su uso posterior. Se comparará con el espectro de Uo2 en oro para determinar el espesor de la película.

Después del análisis, transfiera la muestra de nuevo a la cámara de transferencia lineal utilizando la barra de control. Vuelva al software de control de transferencia lineal y transfiera el carro con el portacuchillas a la cámara de pulverización de CC. Lleve el soporte de muestra debajo de la fuente del sputterer en el centro de la cámara.

Con el obturador de la fuente de pulverización cerrado, abra la válvula de oxígeno y ajuste la presión parcial de oxígeno. A continuación, abra la válvula de gas de argón hasta que se alcance la presión parcial objetivo. Vaya al programa de sputtering para establecer los parámetros para el proceso.

A continuación, abra el obturador de la fuente de sputter y sputter durante 300 segundos. Detenga el sputtering y cierre las válvulas de gas de argón y oxígeno. Proceda a transferir el portacuchillas de nuevo a la cámara de transferencia lineal.

Con el software de control de transferencia lineal, mueva la muestra de nuevo a la cámara de acondicionamiento. Aísle la muestra allí y encienda el calentador de haz E para ajustarlo a una temperatura de 573 Kelvin para anular la muestra. Después de configurar la muestra para el análisis, mida un espectro de visión general.

Mueva la muestra de nuevo a la cámara utilizada para la espectroscopia de electrones de rayos X de alta resolución. Este espectro permite monitorear la calidad de la película Uo2. A continuación, adquiera un espectro de nivel de núcleo de oro-4 F.

Proceder a adquirir un espectro de uranio-4 F. Además, adquiera un espectro de oxígeno de 1 segundo cambiando estos parámetros a los valores indicados. Obtenga un espectro de banda de valencia utilizando estos valores de parámetro en el software.

Desde la pista lineal, mueva la muestra a la cámara de fuente atómica, que se puede utilizar tanto para la oxidación como para la reducción mediante la activación de oxígeno e hidrógeno. Una vez allí, aísle la muestra en su posición y calientela a 573 Kelvin durante 5 minutos. Después de esperar, abra la válvula de oxígeno y ajuste la presión parcial.

Encienda la fuente de átomos y establezca la corriente en 30 milivares. Espere 20 minutos para lograr la oxidación completa antes de apagar la fuente y cerrar la válvula de oxígeno. Devuelva la muestra a través de la cámara de traducción lineal a la cámara de espectroscopia de fotoelectrón de rayos X.

Una vez que la muestra está aislada en la cámara XPS, adquiera el uranio-4 F oxígeno-1 S y espectros de banda de valencia como antes. Si el tiempo de reducción es demasiado corto, los espectros tendrán características de oxidación incompleta. En particular, tenga en cuenta la estructura de pico en los espectros de banda de uranio-4 F y valence.

Comience con la muestra hacia atrás y aislado en la cámara de fuente atómica. Abra la válvula de hidrógeno y ajuste la presión parcial. Inicie la fuente atómica y enciénla y establezca la corriente en 30 milivares.

Después de 60 segundos de tiempo de reducción, apague la fuente atómica. Para los pasos finales, devuelva la muestra a la cámara de espectroscopia de fotoemisión de rayos X. Analice la muestra y caracterice la reducción adquiriendo los espectros de la banda de uranio-4 F, oxígeno-1 S y valence.

Al igual que con estas parcelas, los espectros revelarán si el tiempo de reducción es demasiado largo, y U2O5 se ha reducido a Uo2. Estos son espectros de fotomisión de rayos X a nivel de uranio 4-F para uranio-4 y Uo2, uranio-5 y U2O5, y uranio 6 y Uo3. El espectro para el metal de uranio es para la comparación.

Los datos provienen de películas de unas 20 monocapas. La energía del satélite de uranio-5 permite identificar fácilmente el estado de oxidación. En esta trama, los espectros tienen sus picos de línea principal de cinco mitades de uranio-4 F desplazados para coincidir.

La posición relativa del satélite con respecto al pico es diferente para cada estado de oxidación. Esto diferente proporciona otro identificador para los estados de oxidación de uranio. Este análisis sólo es posible con la espectroscopia de alta resolución, debido a la baja intensidad del pico del satélite, y la pequeña diferencia de energía de unión desde el pico principal.

La producción de películas delgadas U2O5 es posible, pero detener el proceso de reducción en su composición exacta puede ser un desafío, e incluso difícil de observar sin espectroscopia de alta resolución. Por lo tanto, este es un nuevo compuesto, y habrá un montón de propiedades para investigar. Comenzaremos a usar la difracción de rayos X de ángulo de pastoreo para investigar las propiedades estructurales.

Y luego, pasaremos al estado de las propiedades magnéticas de este compuesto, algunas de las propiedades de transporte eléctrico, y complementaremos las investigaciones de estructura electrónica utilizando técnicas disponibles, como fuentes de luz sincrotrón, como una dispersión elástica de rayos X. Se investigan las propiedades químicas físicas de estos estados de oxidación bastante inusuales. Los datos experimentales se pueden comparar con las predicciones teóricas.

De esta manera, nuestro experimento sirve como punto de referencia para modelos teóricos.