U₂O₅ Film préparation via UO₂ dépôt par pulvérisation de courant continu et l’oxydation Successive et réduction avec l’oxygène atomique et de l’hydrogène atomique

Ainsi, pour la première fois, nous avons été en mesure de faire des films minces de U2O5. Ce matériau est très difficile à fabriquer parce qu’il se trouve juste entre deux oxydes d’uranium très stables: Uo2, Uo3. Et c’est pourquoi les tentatives précédentes pour le faire a échoué.

Dans ce laboratoire, nous avons réussi à le faire, comme des couches minces d’environ 200 monomères d’épaisseur. C’est très peu, mais assez pour étudier ses propriétés chimiques physiques, et, en particulier, l’interaction de la surface avec l’environnement. Les films sont déposés à partir de très petites quantités de matériaux de départ, et dans des conditions très contrôlées.

De cette façon, la composition de la surface peut être ajustée, et les résultats contrôlés, par rayons X haute résolution pour la spectroscopie électronique. En plus des oxydes, nitrides, carbures, et d’autres composés peuvent être préparés et étudiés en C2. Les expériences sont réalisées à l’aide de la station de laboratoire du Centre commun de recherche Carlsruhe. La station de laboratoire permet la préparation de films et l’analyse des surfaces de l’échantillon en C2, sans exposition à l’atmosphère.

Un sens de la station de laboratoire est fourni par ce schéma. Il ya des chambres pour le chargement d’un échantillon, et pour le stocker, étiqueté C1"à C3"Lorsqu’il est chargé, l’échantillon est sur un porte-échantillon, et placé sur un wagon de transport qui peut se déplacer sur une chambre de transport linéaire. Le wagon et l’échantillon peuvent être transférés entre différentes chambres de préparation, étiquetées B1"à B3 » et les chambres d’analyse, étiquetées A1"à A4"Les tiges de transfert à chaque chambre permettent le transport du support de l’échantillon vers et depuis la chambre de transfert linéaire.

L’ensemble du système est maintenu sous vide dynamique ultra-élevé. Le contrôle du système passe par des ordinateurs mis en place en laboratoire. Prenez un substrat propre en papier d’or, préparé pour le dépôt d’Uo2, à la chambre de chargement.

Le substrat doré est soudé sur place sur un porte-échantillon en acier inoxydable, avec du fil de tantale. Commencez à charger en isolant la chambre de chargement, puis ouvrez la valve d’azote et attendez que la chambre atteigne la pression atmosphérique. Une fois prêt, ouvrez la porte de la chambre et déplacez le chariot d’échantillon en position pour le chargement.

Ensuite, placez le porte-échantillon et l’échantillon sur le chariot. Retournez le chariot à la chambre de chargement et fermez la porte de la chambre. Ouvrez la vanne pour le vide primaire.

Lorsque la pression est d’environ 1 millibar, fermez la vanne. Ensuite, ouvrez la vanne à la pompe à vide ultra-haute. À l’aide de la tige de transfert de la chambre de chargement, manipulez le porte-échantillon et déplacez-le vers le wagon dans la chambre intermédiaire.

Retournez la tige de transfert à la chambre de chargement et fermez la vanne entre le chargement et les chambres intermédiaires. Ouvrez la vanne entre la chambre de transfert intermédiaire et linéaire. Placez le wagon dans la chambre de transfert et connectez-le à l’aimant de conduite avant de fermer la vanne.

Retour au programme de contrôle linéaire des transferts. Pour le déplacer de sa position actuelle, sélectionnez la chambre de conditionnement comme destination du wagon. Ensuite, appuyez sur commencer la motion.

Le wagon arrive à la base de la chambre de conditionnement d’où il sera chargé. Ouvrez la vanne de la chambre de conditionnement et utilisez la tige de transfert pour déplacer le porte-échantillon à l’intérieur. Avec la chambre isolée, orientez la surface du porte-échantillon pour faire face au pistolet ionisant avant de nettoyer à l’aide de pulvérisation d’argon pendant dix minutes.

Une fois terminé, mettre le thermocouple en contact avec le porte-échantillon, et anneal l’échantillon pendant cinq minutes. Une fois l’échantillon refroidi, retournez le porte-échantillon à la chambre de transfert, avant de fermer la vanne de la chambre de conditionnement. Utilisez le logiciel de commande pour déplacer le wagon vers la chambre suivante pour une spectroscopie photo-électron à haute résolution à rayons X.

Transférez l’échantillon dans la chambre et faites des préparatifs pour la mesure. Avec l’échantillon dans la chambre, tournez-vous vers le logiciel d’acquisition pour le positionner pour la mesure. Lorsque l’échantillon est prêt, utilisez le logiciel d’acquisition pour obtenir un spectre d’aperçu pour vérifier la surface.

L’absence d’un pic de Carbone-1 S à environ 285 volts électroniques est un signe que la surface est propre. Ensuite, acquérir un spectre au niveau du noyau gold-4 F pour une utilisation ultérieure. Il sera comparé au spectre d’Uo2 sur l’or pour déterminer l’épaisseur du film.

Après l’analyse, transférez l’échantillon à la chambre de transfert linéaire à l’aide de la tige de commande. Retournez au logiciel de commande de transfert linéaire et transférez le wagon avec le porte-échantillon à la chambre de pulvérisation DC. Amener le porte-échantillon sous la source du pulvérisateur au milieu de la chambre.

Avec l’obturateur source de pulvérisateur fermé, ouvrez la valve d’oxygène et ajustez la pression partielle d’oxygène. Ensuite, ouvrez la vanne de gaz argon jusqu’à ce que sa pression partielle cible soit atteinte. Allez au programme de pulvérisation pour définir les paramètres du processus.

Ensuite, ouvrez l’obturateur de la source de pulvérisateur et pulvérisez pendant 300 secondes. Arrêtez le pulvérisation et fermez les vannes d’argon et de gaz d’oxygène. Procéder au transfert du support de l’échantillon vers la chambre de transfert linéaire.

Avec le logiciel de contrôle de transfert linéaire, déplacez l’échantillon vers la chambre de conditionnement. Isolez l’échantillon là-bas, et allumez le chauffe-faisceau E pour régler à une température de 573 Kelvin pour anneal l’échantillon. Après avoir mis l’échantillon en place pour analyse, mesurez un spectre d’aperçu.

Déplacez l’échantillon vers la chambre utilisée pour la spectroscopie électronique photo à rayons X haute résolution. Ce spectre permet de surveiller la qualité du film Uo2. Ensuite, acquérir un spectre de niveau de base gold-4 F.

Procéder à l’acquisition d’un spectre uranium-4 F. De plus, acquérir un spectre d’oxygène d’une seconde en changeant ces paramètres en valeurs indiquées. Obtenez un spectre de bande de valence en utilisant ces valeurs de paramètres dans le logiciel.

De la voie linéaire, déplacez l’échantillon vers la chambre source atomique, qui peut être utilisée à la fois pour l’oxydation et la réduction en activant l’oxygène et l’hydrogène. Une fois qu’il est là, isoler l’échantillon en position, et le chauffer à 573 Kelvin pendant 5 minutes. Après avoir attendu, ouvrez la valve d’oxygène et réglez la pression partielle.

Activez la source de l’atome et réglez le courant à 30 milli-ampères. Attendez 20 minutes pour obtenir une oxydation complète avant d’éteindre la source et de fermer la valve d’oxygène. Retournez l’échantillon via la chambre de traduction linéaire à la chambre de spectroscopie photoélectron à rayons X.

Une fois que l’échantillon est isolé dans la chambre XPS, acquérir l’uranium-4 F oxygène-1 S et spectres bande de valence comme avant. Si le temps de réduction est trop court, les spectres auront des caractéristiques d’oxydation incomplète. Notez en particulier la structure maximale des spectres de la bande d’uranium-4 F et de valence.

Commencez par l’échantillon de retour et isolé dans la chambre de source atomique. Ouvrez la valve à hydrogène et réglez la pression partielle. Démarrez la source atomique, allumez-la et réglez le courant à 30 milli-amplis.

Après 60 secondes de temps de réduction, éteignez la source atomique. Pour les dernières étapes, retournez l’échantillon à la chambre de spectroscopie de photoémission aux rayons X. Analyser l’échantillon et caractériser la réduction en acquérant les spectres de la bande d’uranium-4 F, d’oxygène-1 S et de bande de valence.

Comme avec ces parcelles, les spectres révéleront si le temps de réduction est trop long, et U2O5 a réduit à Uo2. Il s’appelle les spectres de photoémission à rayons X de niveau de base de l’uranium 4-F pour l’uranium-4 et l’Uo2, l’uranium-5 et l’U2O5, ainsi que l’uranium 6 et l’Uo3. Le spectre du métal d’uranium est à comparer.

Les données proviennent de films d’une vingtaine de monomères. L’énergie du satellite uranium-5 permet d’identifier facilement l’état d’oxydation. Dans cette parcelle, les spectres ont leur uranium-4 F cinq moitiés pics de ligne principale déplacé pour coïncider.

La position relative du satellite par rapport au pic est différente pour chaque état d’oxydation. Ce différent fournit un autre identificateur pour les états d’oxydation de l’uranium. Cette analyse n’est possible qu’avec la spectroscopie haute résolution, en raison de la faible intensité du pic satellite et de la faible différence d’énergie de liaison par rapport au pic principal.

Produire des films minces U2O5 est possible, mais arrêter le processus de réduction à sa composition exacte peut être difficile, et même difficile à observer sans spectroscopie haute résolution. Donc, c’est un nouveau composé, et il y aura beaucoup de propriétés à étudier. Nous allons commencer à utiliser l’angle de pâturage X-ray diffraction pour étudier les propriétés structurelles.

Et puis, nous passerons à l’état des propriétés magnétiques de ce composé, certaines des propriétés de transport électrique, et nous compléterons les études de structure électronique en utilisant des techniques disponibles, comme les sources de lumière synchrotron, comme une diffusion élastique aux rayons X. Les propriétés chimiques physiques de cet état d’oxydation plutôt peu commun sont étudiées. Les données expérimentales peuvent être comparées à des prédictions théoriques.

De cette façon, notre expérience sert de référence pour les modèles théoriques.