U2O5 הסרט הכנה באמצעות התצהיר2 אז פרט להתמחות על ידי זרם ישיר Sputtering וחמצון רצופים וצמצום עם אטומי חמצן ומימן אטומי

Summary

פרוטוקול זה מציג הכנת U₂O₅ סרטים רזה שהושג בחיי עיר תחת ואקום גבוה במיוחד. התהליך כרוך חמצון וצמצום של אז פרט להתמחות₂ סרטים עם חמצן אטומי, אטומי מימן, בהתאמה.

Abstract

אנו מתארים שיטה לייצר U₂O₅ סרטים בחיי עיר באמצעות Labstation, מכונת מודולרי שפותחה ב קרלסרוה נוסד. Labstation, חלק חיוני של מאפיינים של Actinides תחת תנאים קיצוניים מעבדה (PAMEC), מאפשר הכנת סרטים ומחקרים של משטחים דוגמה לשימוש בשיטות אנליטיות משטח כגון צילום רנטגן, אולטרה סגול photoemission ספקטרוסקופיה (XPS ו- UPS, בהתאמה). כל המחקרים נעשים באתרו, הסרטים, הועבר תחת ואקום אולטרה גבוה מן ההכנה שלהם חדר ניתוח, לא בקשר עם האווירה. בתחילה, סרט של אז פרט להתמחות₂ מוכן על ידי זרם ישר (DC) התצהיר לרעוד. להוציא על רדיד זהב (Au) ואז תחמוצת על-ידי חמצן אטומי כדי לייצר סרט₃ אז פרט להתמחות. זה האחרון אז פוחת עם אטומי מימן₂O U₅. הניתוחים מבוצעים לאחר כל שלב מעורבים חמצון לבין הפחתה, שימוש photoelectron ברזולוציה גבוהה ספקטרוסקופיה לבחון את מצב חמצון של אורניום. ואכן, חמצון וצמצום פעמים ואת הטמפרטורה המתאימה של המצע בתהליך זה יש תופעות חמורות על מצב חמצון וכתוצאה מכך האורניום. עצירת ההפחתה של אז פרט להתמחות₃ ו U₂O₅ עם U(V) יחיד הוא די מאתגר; ראשית, אורניום-חמצן מערכות קיימות בשלבי ביניים רבים. שנית, בידול המדינות חמצון של אורניום מתבסס בעיקר על פסגות בלוויין, פסגות בעוצמה של מי הם חלשים. בנוסף, ניסויים צריך להיות מודע לכך הספקטרומטריה (XPS) הוא טכניקה עם רגישות אטומי של 1-5%. לכן, חשוב לקבל תמונה מלאה של המדינה חמצון אורניום עם ספקטרום שלם שהושג על U4f, O1s, את ערכיות (VB). תוכניות המשמשים את Labstation כוללות תוכנית העברת ליניארי שפותחה על ידי חברת חיצונית (ראה טבלה של חומרים) גם חדרי קירור והקפאה, לרעוד. להוציא תוכניות מקור, שניהם שפותחו.

Introduction

תחמוצת אורניום הוא המרכיב העיקרי של פסולת גרעינית, ומקושרת שלה מסיסות במים למצב חמצון אורניום, גדל מ U(IV) ל U(VI). לפיכך, אז פרט להתמחות חימצון_{2 + x} במהלך הגיאולוגיות האחסון הוא בטיחות חשוב ומכריע גיליון^1,2. זה מניע מחקרים של התגובה מנגנונים המסדירים את האינטראקציות השטח בין אורניום תחמוצות ו^5,64,3,הסביבה. הידע הזה הוא חיוני בכל ההיבטים של מטפלים בזבוז של דלק גרעיני מחזורים.

בעוד tetravalent hexavalent אורניום הם ומבוססת נפוץ כמו מערכות של מצב מוצק, זה לא המקרה של אורניום pentavalent, למרות יציבותו במתחמי uranyl מופע בתמיסה המימית. ב תחמוצות אורניום, U(V) נחשב והשלמת ביניים, הוא לא דיווח מצב יחיד אלא דווקא דו קיום עם U(IV) ו U(VI) מינים. מסיבה זו, לא דווח על מאפייני₂O U₅כימיים ופיזיים. זה גם בגלל תכונה נפוצה של ניסויים קורוזיה, שבו דגימות נחשפים הוא ייחלש. זה יוצר מדרג תלול חמצון הברית בין פני השטח (נחשפים חמצון) בכמות גדולה של המדגם. השינוי מתרחש בתוך עומק ניתוח. לפיכך, הברית חמצון שונים הם נצפו בו זמנית, לא בגלל הערכי מעורבת, אבל כמו חפץ של תגובה לא שלם וכתוצאה מכך שכבת הטרוגנית. אלה שתי בעיות ניתן לפתור באמצעות סרטים רזה במקום דגימות בצובר. ניתן להכין מספר רב של מערכות מגוונות עם קצת חומר המוצא, מעבר הצבע השטח-בתפזורת הוא נמנע כי לא בכמות גדולה.

שיטת דיווח כאן מאפשרת בחיי עיר הכנת שכבה דקה מאוד (כמה עשרות שכבות אטומיות שהופקדו על מצע אינרטי) וניתוח של פני השטח שלו ללא מגע עם האווירה. זהו אחד היתרונות של Labstation (איור 1), אשר הוא מודולרי המכונה המורכבת שונה צ'יימברס תחת ואקום אולטרה גבוה דינמי (UHV), להגיע הלחצים של 10 mbar^{-11 -9}-10. צ'יימברס מוקדשים הכנה של סרטים רזה, טיפולי שטח למתכות (גז adsorptions), הטזה בטכניקות spectroscopies פני השטח [למשל, photoelectron ספקטרוסקופיה (XPS), אולטרה סגול photoelectron הספקטרומטריה (UPS), נמוך אנרגיה עקיפה ספקטרוסקופיית (LEED)]. דוגמאות רכוב על מחזיקי מדגם ספציפי, מועברים בין לשכות שונות דרך תא הובלה ליניארית באמצעות עגלה תחבורה. כל התאים מחוברים לתא המרכזי הזה דרך שסתום ולכן הם יכולים להיות מבודד בכל רגע (למשל., גז מילוי או מתן שירות). החלמה מדגם המחזיק/המדגם מן החדר העברה קווית מושגת על ידי מוט העברה רכוב על כל תא. מערכת בסיס Labstation יש שיוצרו על ידי חברה חיצונית (ראה טבלה של חומרים). שינויים והרחבות נוספו לאחר מכן בהתאם לדרישות ניסיוני, וכתוצאה מכך מכשור ייחודי נוסד קרלסרוהה. הרחבות כוללות את מקור לרעוד. להוציא (רכיב הליבה להכנת סרט דק), אשר פותחה בחברה יחד עם תוכניות רכישה לרעוד. להוציא ונתונים. הטעינה של מדגם המחזיק/המדגם של אווירה אמביינט ואקום גבוה נעשה באמצעות תא מנעול עומס תוכנן במיוחד כדי לבצע טיפול מדגם מרובים וכן למזער את הזמן להגיע הלחץ הסופי של-10^-8-10 mbar ^-9 , ובכך יגביל את זיהום האוויר של המערכת. Labstation הוא התוצאה של שנים של ניסיון ומומחיות בתחום המדע משטח ב קרלסרוה נוסד.

כדי לעבור בין תא אחד למשנהו, המדגם הוא רכוב על עגלה תחבורה מונע על ידי מגנט חיצוני, נשלט על ידי תוכנת מחשב (איור 2) ועובר לגור לאורך התא העברה קווית של-7 מ' עצירה מוגדרות מראש עמדות מול צ'יימברס.

ללא התקנה דומה או קרוב, הניסוי יכול להיות קשה להתרבות. עם זאת, התקנה זו תורמת המעבדה PAMEC אשר תורם התוכנית גישה פתוחה נוסד, שבו משתמשים חיצוניים מוזמנים להגיש הצעות שנסקרו על ידי פאנל של מומחים מדעיים בינלאומיים. ההערכה שלהם ואז מאפשר למשתמשים לקבל גישה התשתית שמפעילה את נוסד. לאחר בקשות ולא במסגרת שיתופי פעולה, ניתן להכין סרטים רזה עבור משתמשים חיצוניים עבור ניתוחים וניסויים שבוצעו מחוץ נוסד קרלסרוהה.

בדו ח זה, אנו מספקים פרוטוקול מפורט הצמיחה של יחיד-ערכיות-U-₂O-₅ סרטים רזה, מתקבל על ידי רצף שלבים חמצון וצמצום של אז פרט להתמחות₂ עם חמצן אטומי, אטומי מימן, בהתאמה. בניגוד אז פרט להתמחות₂ , אז פרט להתמחות_{x 2 +}, בתצהיר ישירה של₂O U₅ , אז פרט להתמחות₃ סרטים על ידי DC sputtering לא יכול להיעשות. לכן, אנחנו קודם להמשיך בתצהיר של סרט₂ אז פרט להתמחות, נישחק זה לתוך אז פרט להתמחות₃ באמצעות חמצן אטומי, ואז לצמצם את זה חזרה ל₂O U₅ עם אטומי מימן. חמצון וצמצום פעמים וטמפרטורה מדגם במהלך התהליך יש השפעות על התוצאה, חשובים להתמחות. קומפוזיציה נכונה אומתה עם רזולוציה גבוהה photoelectron הספקטרומטריה, אשר מספק ראיות כמותיות הישירים אורניום 5נ¹ בתצורה אלקטרונית, כצפוי U(V).

Protocol

1. מחזיק קליניים

הערה: טיפול של בעל מדגם מחוץ Labstation תחת אווירה הסביבה צריכה להתבצע עם כפפות, פינצטה נקי.

1. הכנת מחזיק הדוגמא וניקוי באתרו לשעבר
   1. לנקות את רדיד זהב (Au) (0.025 מ מ עובי, 99.99%, ראה טבלה של חומרים) של גודל 8 x 8 מ מ עם אצטון. המקום רדיד האלומיניום פלדת אל-חלד או מחזיק מוליבדן במיוחד המיועד Labstation ותקן מסכל את המחזיק על ידי ריתוך החוטים טנטלום.
   2. לנקות את בעל מדגם ו לסכל שוב עם אצטון ולתת לזה להתייבש תחת אמביינט אטמוספירה לפני מבוא Labstation.
      הערה: תמונה של בעל מדגם בנייר זהב מוצגת על שיבוץ של איור 1.
2. מבוא של בעל מדגם Labstation
   1. סגור את השסתום UHV בין עומס תא המוסך קאמרית (C1/C2). . תפוס. תשחרר את הבורג, תיקון הדלת של C1, ופתח את השסתום חנקן להביא את הלחץ הלחץ האטמוספרי, המאפשר פתיחת הדלת.
   2. להכיר את בעל מדגם C1. . סגור את הדלת של C1 ופתח את השסתום עבור שואב האבק הראשי.
   3. סגור את השסתום המשאבה הראשית, ברגע שואב האבק הראשי מגיע בלחץ של 1 mbar. פתח השסתום מקושר המשאבה turbomolecular UHV מיד לאחר מכן. המתן עד הלחץ מגיע ל- 10^-7 mbar.
      הערה: שלב אחרון זה יכול לקחת מינימום של h 1 עד 3, בהתאם מדגם outgassing.
3. העברה לחדר הכנה (B1)
   1. להזיז את העגלה התחבורה מן החדר העברה לתא ביניים, סגור את השסתום בין C2 C3. . פתח את הברז בין C1 ו- C2 להשתמש את מוט העברה של C1 כדי להעביר את בעל מדגם C2.
      הערה: C2 הוא חדר ביניים בין C1 תא העברה קווית משותף כל לשכות Labstation. זה מפריד תא מנעול עומס, שבו יש ואקום המסכן (10^-7 mbar) משאר חלקי המערכת (mbar^-9 סביב 10). העברות מדגם ניתן לבצע במהירות תוך שמירה על Labstation נקי-ואקום הדלה יחסית בתוך המנעול עומס.
   2. אחרי בעל מדגם יושב על העגלה בתא C2, להחזיר את מוט העברה C1, סגור את השסתום בין C1 ו- C2. . פתח את הברז בין C2 תא העברה קווית C3
   3. מקם את העגלה בבית הבליעה העברה קווית וחבר אותו למגנט נהיגה לפני סגירת המסתם בין C2 C3.
   4. השתמש בתוכנית בקרת העברה ליניארי (LTC, איור 2) כדי להעביר את העגלה למיקום של תא הכנה B1.
   5. . פתח את הברז בין תא העברה קווית תא הכנה B1 השתמש את מוט העברה למיקום המדגם בבית הבליעה הכנה B1. לאחר העברת המוט בחזרה למיקומו הראשוני, סגור את השסתום בין העברה קווית קאמרית הכנה תא B1.
4. בחיי עיר ניקוי של בעל מדגם
   1. . פתח את הברז ארגון להגיע בלחץ של 5 x 10^-5 mbar
   2. מיקום המשטח בעל מדגם באנכי להתמודד עם האקדח יון (IG10/35, ראה טבלה של חומרים).
   3. . הפעילי את האקדח יון להתחיל Ar יון התזה (2 קוו, פליטה אמא 10 הנוכחי) לשמור על ניקיון במשך 10 דקות למתג את האקדח יון.
   4. . תביא את צמד תרמי במגע עם בעל מדגם ולאחר מכן להחליף את החימום e-קרן אור כדי anneal המדגם-773 K במשך 5 דקות. לאחר עלייה הראשונית (לתוך הטווח 10 mbar^-7 ), הלחץ נופל חזרה על-10^-8 mbar, המציין את סיום outgassing. לכבות את התנור e-קרן ומצננים את הדגימה עד לטמפרטורת החדר (RT).
   5. לפתוח את השסתום בין העברה קווית קאמרית הכנה תא B1 ולאחר מכן מקם את בעל מדגם על העגלה באמצעות מוט העברה. סגור את השסתום של תא B1.
5. מדגם בעל אפיון
   הערה: רנטגן ברזולוציה גבוהה photoelectron ספקטרוסקופיה (XPS) מדידות בוצעו באמצעות analyser המיספרי (ראה טבלה של חומרים). מקור מיקרו-פוקוס (ראה טבלה של חומרים) מצוידים monochromator והוא פועל ב 120 W ששימשה ליצירתו של הקרינה של Al Kα (E = 1,486.6 eV). כיול של ספקטרומטר נעשה באמצעות קו_7/2 4fAu מתכת, ייצור ערך של 83.9(1) eV מחייב אנרגיה (מושלם), ואת קו_3/2 p 2מתכת Cu-932.7(1) להיות eV.
   1. להעביר את העגלה על ידי שליטה מרחוק באמצעות התוכנית LTC למיקום של החדר ניתוח A4.
      הערה: רקע הלחץ בחדר ניתוח הוא mbar⁻¹⁰ 2 x 10.
   2. לפתוח את השסתום לשכת ניתוחים A4 ולהשתמש מוט העברה לקחת המדגם מן החדר העברה קווית לחדר ניתוחים A4. סגור את השסתום החדר ניתוח A4.
   3. להעביר את הדגימה מיקום ניתוח באמצעות תוכנית רכישה (איור 3).
   4. לעבור על קירור מים, מקור רנטגן ספקטרופוטומטרים (אנודת מתח = 15 קוו, פליטה הנוכחי = 120 מא).
   5. התחל רכישת נתונים באמצעות תוכנית רכישה (איור 3).
      הערה: ניתן לבצע אופטימיזציה של מיקום הדגימה עם תוכנית הרכישה לקבל עוצמת האות מקסימלי.
      הערה: Photoemission הספקטרום צולמו מהמשטח מדגם ב RT.
   6. להתחיל את המדידה של ספקטרום סקירה באמצעות הפרמטרים הבאים: קה_ini = 100 eV, KE_פין = 1,500 eV, סריקה זמן = 300 s, ° N נקודות = 1,401, מעבר אנרגיה = 50 eV, לשסף = 7 x 20 מ מ קוטר, מצב = 1.5 קוו/בינוניים אזור מצב.
      הערה: בהעדר לשיא1s C-כ 284.5 eV להיות מציינת כי השטח נקי.
   7. נתחיל רכישת Au4f הליבה ספקטרום ברמת הפרמטרים הבאים: קה_ini = 1,396.6 eV, KE_פין = 1,406.6 eV, סריקה זמן = 60 s, מספר נקודות = 201, מעבר אנרגיה = 30 eV, לשסף = 6 מ מ קוטר, מצב = 1.5 קוו/בינוניים אזור מצב .
      הערה: המדידה השנייה הזו יושוו לזהויות הספקטרום לאחר הפקדת הסרט₂ אז פרט להתמחות על רדיד זהב כדי להעריך את עובי המקביל של הסרט.
   8. לאחר השטח של בעל מדגם (Au רדיד) נותחה, לפתוח את השסתום החדר ניתוח A4 כדי למקם את בעל מדגם על העגלה בבית הבליעה הובלה ליניארית באמצעות מוט העברה.

2. הכנת סרט דק

הערה: סרטים רזה של תחמוצת אורניום מוכנות בחיי עיר על ידי זרם ישר (DC) sputtering באמצעות אורניום מתכת מטרה, וגז תערובת של Ar (6 N) לחץ חלקי₂ (4.5 N) O.

1. הפקדת אז פרט להתמחות₂ הסרט
   1. להעביר את העגלה נושאת את בעל מדגם למיקום של תא הכנה B2 בשליטה מרחוק באמצעות התוכנית LTC.
   2. לפתוח את השסתום לשכת ההכנה B2 ולאחר עם מוט העברה, מקם את בעל מדגם תחת מקור לרעוד. להוציא, הממוקם באמצע B2.
      הערה: לפני התהליך המלהגים, ודא כי הצמצם של מקור לרעוד. להוציא סגורה.
   3. סגור את השסתום כדי לבודד תא B2 מן החדר העברה קווית. לאחר מכן, פתח את השסתום₂ O, להתאים את לחץ חלקי של חמצן כדי 2.5 x 10⁻⁵ mbar. פתח ארגון שסתום הדלק להגיע בלחץ חלקי של 5 x 10⁻³ mbar.
   4. השתמש בתוכנית לציפוי ידי ריסוס (איור 4) כדי להזין את הפרמטרים הבאים: התצהיר זמן = 300 s, אורניום היעד מתח =-700 V, אורניום היעד הנוכחי = 2 אמא, נימה חימום = 3.3 V/3.9 A, מתח עבודה פילמנט = 40 V.
      הערה: המתן כ 120 s של sputtering עם צמצם סגור של מקור לרעוד. להוציא.
   5. התחל את הטיימר מיד לאחר פתיחת הצמצם של מקור לרעוד. להוציא כדי לאפשר הפקדת אז פרט להתמחות₂ מסכל Au.
      הערה: כדי לעבוד בלחץ Ar נמוך ללא ייצוב שדות מגנטיים, זריקות של 25-50 eV אנרגיה (טריודה התקנה) היו מופעל כדי לשמור על הפלזמה ב "דיודה" בגלל.
   6. לעצור את התזה לאחר 300 s, באמצעות המתאימה תוכנית וכן לסגור את השסתומים גז₂ Ar ו- O.
      הערה: האור הכחול של הפלזמה ייעלם, כל הפרמטרים המלהגים תיפול לאפס.
      הערה: המתן עד הלחץ לשכת ההכנה B2 מגיע ל- 10^-8 mbar.
   7. להביא את הדגימה הכנה בתא B1, ובשביל חישול חלקים של המדגם, להחליף את החימום e-קרן והגדר את הטמפרטורה 573 ק
      הערה: המתן 3 עד 5 דקות לפני הפסקת את החימום.
2. אז פרט להתמחות₂ מדגם הטזה
   הערה: עבור הטזה המדגם על ידי ה-XPS, ההליך המתואר לשם הטזה מחזיק הדגימה צריכה להיות מלווה.
   1. . פתח את הברז בין הכנה תא B1 העברה קווית קאמרית להעביר את הדגימה לעגלה באמצעות מוט העברה הגדר את מוט העברה חזרה לחדר הכנה B1 ולאחר מכן סגור את השסתום כדי לבודד את זה מהתא העברה קווית.
   2. בצע את ההליך המתואר צעדים 1.5.1 כדי 1.5.6.
      הערה: סקירה על הספקטרום מאפשר שליטה על איכות הסרט₂ אז פרט להתמחות על-ידי למעט פסגות טומאה נוספים (C1s, זיהום צולב מן הדיור מקור לרעוד. להוציא) ושליטה (בערך) את U:O יחס של הסרט.
   3. התחל רכישת רמת הליבה4f Au (דומה פרמטרים כמו שלב 1.5.7).
   4. המשך רכישת U4fO1s, ערכיות (VB) שימוש באנרגיה פרמטרים: המעבר הבא = 30 eV, חתך = 7 x 20 מ מ קוטר, מצב = 1.5 קוו, אזור בינוני.
      
      U4f: קה_ini = 1,066.6 eV KE_פין = זמן הסריקה 1,126.6 eV = 300 ° s N נקודות = 601
      1s: קה_ini = 946.6 eV KE_פין = זמן הסריקה 966.6 eV = 300 ° s N נקודות = 201
      Vb: קה_ini = 1,473.6 eV KE_פין = זמן הסריקה 1,488.6 eV = ° s N 1,800 נקודות = 601
      
      הערה: ספקטרום שהושג עבור הסרט₂ אז פרט להתמחות מדווחים באיור5.
3. חמצון של אז פרט להתמחות₂ עם חמצן אטומי
   הערה: שטף אטום (ראה טבלה של חומרים) צוין > 10¹⁶ אטומים/cm²/s, המקביל חשיפה עד 20 s של Langmuirs בערך 10 (כלומר., 1.33 x 10⁻³ Pa•s).
   1. להעביר את העגלה נושאת את הדגימה לחדר הכנה B3. לפתוח את השסתום לשכת ההכנה B3 ולאחר עם מוט העברה, מקם את הדגימה בתוך B3 מול המקור אטום. סגור את השסתום כדי לבודד תא מן החדר העברה קווית.
   2. הגדר את הטמפרטורה מדגם 573 ק. חכה 5 דקות כדי לאפשר את הדגימה להגיע לטמפרטורה של המחזיק.
   3. לפתוח את השסתום חמצן ולהגדיר את לחץ חלקי 1.2 x 10^-5 -mbar-O-₂. לעבור על המים קירור עבור המקור אטום.
   4. . הפעילי את מקור אטומי והגדר הנוכחי 20 מא. שים לב הזמן המדויק להתחמצן הדגימה עם מקור אטומי. אם חמצון זמן קצר מדי, חמצון אז פרט להתמחות₃ יכול להיות שלם כפי שדווח באיור 6.
   5. לחכות 20 דקות כדי להשיג חמצון מלא של אז פרט להתמחות₂ לתוך אז פרט להתמחות₃ , כבה את מקור אטומי לפני סגירת המסתם חמצן. לאחר הלחץ לשכת ההכנה B3 10^-7 mbar, פתח את השסתום כדי להעביר את הדגימה על העגלה נוכח בבית הבליעה העברה קווית לאחר מכן, סגור את השסתום לשכת ההכנה B3.
4. ניתוח של אז פרט להתמחות₃ שהושג לאחר חמצון של אז פרט להתמחות₂ עם חמצן אטומי
   1. להעביר את הדגימה לחדר ניתוחים ביצוע השלבים 1.5.1 כדי 1.5.6; לאחר מכן, עבור הניתוחים, בצע את ההליך כמתואר בשלב 2.2.4.
      הערה: ספקטרום המקביל של אז פרט להתמחות₃ מדווחים איור7.
5. הפחתת אז פרט להתמחות₃ על ידי אטומי מימן
   1. כדי להעביר את הדגימה לחדר הכנה B3, בצע את שלבים 2.3.1 ו 2.3.2.
   2. לפתוח את השסתום מימן ולהגדיר את לחץ חלקי mbar^-5 3 x 10. לעבור על המים קירור עבור המקור אטום. . הפעילי את מקור אטומי והגדר הנוכחי 30 תואר שני.
   3. מחכים 60 s של הפחתת זמן לפני. לכבות את מקור אטומי. לב בדיוק הזמן לנקוט כדי להפחית את הדגימה עם מקור אטומי. אם הפחתת זמן ארוך מדי, אז אז פרט להתמחות_{2 + x} נוסף פוחת אז פרט להתמחות₂ כפי שדווח באיור8. אם הדבר יתרחש, הדגימה חייבת להיות מחומצן שוב עם חמצן אטומי (כפי שעשינו כדי לקבל אז פרט להתמחות₃), אשר ספקטרה המתאימים מדווחים באיור9.
6. ניתוח של₂O U₅ שהושג לאחר הפחתה של אז פרט להתמחות₃ עם אטומי מימן
   1. להעביר את הדגימה לחדר ניתוח ביצוע השלבים 1.5.1 כדי 1.5.6; לאחר מכן, עבור הניתוחים, בצע את ההליך כמתואר בשלב 2.2.4.
      הערה: ספקטרום שהושג של U4f, O1s, VB מדווחים באיור10. כדוגמה של הפחתת לא שלם₂O U₅, ספקטרה דומה, כפי שמוצג באיור 6 מתקבלים.

תוצאות

הזיהוי של U(V) יכול להיעשות בקלות על ידי אנרגיה אופיינית של הלוויין טלטול המלווה את כפיל4f מאפיין U. האנרגיה מחייב שבו מופיע בלווין, הקשורים עם תהליכי אובדן אנרגיה פנימית, תלויה במצב חמצון אורניום.

אורניום 4f ליבה photoemission רנטגן ברמת ספקטרה נרשמות על U(IV) אז פרט להתמחות₂ (עיקול אדום), U(V) U₂O₅ (עיקול ירוק), ואת U(VI) אז פרט להתמחות₃ (עיקול ורוד), ואז בהשוואה U(0) במטאל אורניום (עיקול שחור) בפינה השמאלית חלק באיור 11- המתאימים O1s ליבה רמת ספקטרום superposed ודיווח בחלק הנכון של איור 11.

בחלק מרכז של איור 11, כבר העביר U4f_7/2 ליבה רמת הפסגות כדי superpose קווי הרכבת העיקריים (החצי העליון), המאפשר ויזואליזציה של ההפרדה אנרגיה (ΔE) בין לווין ואת הקו הראשי (התחתון). עם הגדלת מצב חמצון, מגביר ההפרדה האנרגיה, בעוד בלוויין האינטנסיביות פוחתת. ספקטרה התקבלו על סרטים רזה של monolayers כ- 20 עובי. הפסגה אנרגיה בלוויין לבין הקו פליטת 4f(4נ_7/2)_5/2 שימשו כמו טביעת של המדינה חמצון של אטומי האורניום. ספקטרום הלהקה הערכי של אז פרט להתמחות₂,₂O U₅אז פרט להתמחות₃ מתקבל על הסרטים באותו מדווחים באיור12.

ספקטרום שמתואר הפרוטוקול הם המתאימים אז פרט להתמחות₂ סרטים (איור 5) שהושג לאחר לעדות בבית הבליעה הכנה B2. הסרט הזה הוא מחומצן ואז עם חמצן אטומי. תלוי בזמן חמצון, התוצאה יכולה להיות אז פרט להתמחות_{2 + x} (כפי שדווח באיור 6) או אז פרט להתמחות₃ (כפי שדווח איור7). כמו כן, אם הפחתה אטומי מימן אז פרט להתמחות₃ ארוך מדי, הוא יחזור אז פרט להתמחות₂ כפי שדווח באיור8. במקרה זה, reoxidation אז פרט להתמחות₃ כפי שדווח באיור 9 צריך לקחת את המקום לפני לצמצם אותו שוב עם זמן מתאים כדי לקבל₂O U₅, כפי שהוא מוצג באיור10. התוצאות מראים כי תהליכי חמצון וצמצום הפיך לחלוטין.

איור 1 : תמונה, תיאור סכמטי של המכונה Labstation שפותחה ב קרלסרוה נוסד כדי לאפשר בחיי עיר המדע משטח מחקרים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 2 : צילום מסך של תוכנית בקרה העברה קווית. התוכנית מאפשרת העברה של העגלה נושאת את הדגימות (I כדי V) לאורך תא העברה קווית קאמרית שונים ומעמדות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 3 : צילום מסך של תוכנית רכישת. ברגע הציג את התנאים מדידה, סדרה של מדדים ניתן לבצע באופן אוטומטי לאחר מעבר על הגנרטור רנטגן. החלון מיקום הדגימה מאפשר מיקום הדגימה בחדר ניתוח. ההתאמה לאורך x, y, ו- z יכול להיעשות כדי למטב את עוצמת האות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 4 : צילום מסך של תוכנית בקרה לרעוד. להוציא. ניתן לבחור את התנאים המלהגים עם תוכנית זו פותח בתוך הארגון. בין המשתנים יוגדר הן חימום עבודה המתחים של חוט הלהט מתחים של עד שתי מטרות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 5 : U4f, O1, וערכיות רצועה ספקטרה לאחר הפקדת סרט₂ אז פרט להתמחות, נמדדת ברזולוציה גבוהה הספקטרומטריה photoemission. מיקומי שיא ולוויין האופייניים מדגם₂ אז פרט להתמחות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 6 : U4f, O1, וערכיות רצועה ספקטרה לאחר חמצון של אז פרט להתמחות₂ עם חמצן אטומי, נמדדת ברזולוציה גבוהה הספקטרומטריה photoemission. הזמן חמצון הוא קצר מדי, שוכך חמצון אז פרט להתמחות₃ אינו שלם. מיקומי שיא ולווין הם מאפיין של אז פרט להתמחות_{2 + x} ולא של אז פרט להתמחות₃ דיווח איור7. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 7 : U4f, O1, וערכיות הלהקה ספקטרום נמדד לאחר חמצון של הסרט₂ אז פרט להתמחות עם חמצן אטומי שימוש ברזולוציה גבוהה הספקטרומטריה photoemission. מיקומי שיא ולוויין האופייניים מדגם₃ אז פרט להתמחות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 8 : U4f, O1, וערכיות הלהקה ספקטרום נמדד לאחר הפחתה של אז פרט להתמחות₃ עם אטומי מימן- הפחתת זמן ארוך מדי, ובכך₂O U₅ מצטמצם עוד יותר אז פרט להתמחות₂. מיקומי שיא ולווין הם מאפיין של אז פרט להתמחות₂ ו לא U₂O₅ המדגם דיווחו באיור10. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 9 : U4f,1s, O להקת הערכי של המדגם שהושג ב איור 8 ו תחמוצת מחדש עם חמצן אטומי אז פרט להתמחות₃. מיקומי שיא ולווין האופייניים מדגם₃ אז פרט להתמחות. תהליכי צמצום וחמצון ובכך הם הפיכים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 10 : U4f, O1, וערכיות רצועה ספקטרה לאחר הפחתה של הסרט₃ אז פרט להתמחות עם אטומי מימן, נמדדת ברזולוציה גבוהה הספקטרומטריה photoemission. מיקומי שיא ולוויין האופייניים מדגם_{5 2}O U. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 11 : U4f ו- O1s ליבה רמת רנטגן photoemission ספקטרום של U(IV) אז פרט להתמחות₂ (עיקול אדום), U(V) U₂O₅ (עיקול ירוק), ו- U(VI) אז פרט להתמחות₃ (עיקול ורוד), ואז בהשוואה U(0) במטאל אורניום (שחור עיקול). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

איור 12 : ספקטרום הלהקה הערכי של U(IV) אז פרט להתמחות₂ (עיקול אדום), U(V) U₂O₅ (עיקול שחור), ו- U(VI) אז פרט להתמחות₃ (ורוד עיקול). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Discussion

התוצאות הראשונות שהתקבלו על הסרטים דק₂O U₅ של בערך 30 monolayers (ML) עובי, יחד עם הליבה המתאימים ברמת ספקטרוסקופיה שהושג עם photoemission הספקטרומטריה ברזולוציה גבוהה, שדווחו ב הפרסום הקודם⁷. האבולוציה של המדינה אורניום במהלך תהליך חמצון של אז פרט להתמחות₂ לתוך אז פרט להתמחות₃ נמסר דרך ספקטרה photoelectron רנטגן שהושג על סרטים רזה של שתיים עד 50 שכבות בעובי במגוון רחב של היחס O:U (איור 11, איור 12). הסרט חמצון וצמצום הסרט התקבלו על ידי חשיפת הסרטים חמצן אטומי, אטומי מימן, בהתאמה. יכול להיות מאושרות ההומוגניות של הסרטים עם אורניום חמצון הברית בין הרביעי השישי בשל עובי קטן שלהם ואת הטמפרטורות התגובה. סרטים רזה של אורניום תחמוצות מופקדים על מצע באמצעות זרם ישיר sputtering עם מקור לרעוד. להוציא שפותחה ב קרלסרוה נוסד. המקור לרעוד. להוציא מותקנת בתוך תא תחת ואקום גבוה במיוחד, כמו כל לאהלי Labstation. בזמן אז פרט להתמחות₂ ניתן להשיג ישירות, אז פרט להתמחות₃ ו- U₂O₅ סרטים מתקבלים רק לאחר טיפול נוסף עם אטומי חמצן ומימן אטומי. האנרגיה איגוד של הפסגות הראשי ואת מיקומם לוויינים לאפשר בידול בין המדינות חמצון של אורניום בסרטים תחמוצת אורניום מיוצר באתרו. ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה יש צורך להבדיל בין המדינות חמצון שונים, כמו האנרגיות איגוד בלוויין קרובים ויש בעוצמות נמוכות.

בשנת 1948, אורניום pentavalent טהור, U₂O₅, זוהה בפעם הראשונה⁸. מאוחר יותר, סינתזה שלו תוארה מבוסס על טמפרטורה גבוהה (673-1,073 K) בלחץ גבוה (30-60 kbar) תערובת אז פרט להתמחות₂ ו- U-₃O-₈-⁹. עם זאת, קיום ויציבות של₂O U₅ -בתנאי טמפרטורה ולחץ הסביבה יש כבר נחקרתי, רומז מגבלה נמוכה יותר של x = 0.56-0.6 עבור האזור חד-פאזי מתחת₃O U₈¹⁰ . עד כה, הכנת U₂O₅ בלחץ גבוה וטמפרטורה או במהלך תהליך תרמו להפחתת לא היה לשחזור; לעתים קרובות, לא ניתן היה להקצות מצב חמצון בודדת דגימות שהושג. חלק הכנה מדגם בצובר_{5 2}O U הופיע בתור תערובות של אז פרט להתמחות₂ או אז פרט להתמחות₃ עם קיום של U(V) עם U(IV) או U(VI), באשר U₄O₉ ו- U-₃-O-₈. למשל, Teterin et al.¹¹ דיווחו את תהליך leaching של U₃O₈ בחומצה גופרתית ואחריו טיפול תרמי באווירה הליום, בטענה כי התוצאות היו קשורים ל- U-₂-O-₅. מסקנה זו יכול להיות מהכלל בקלות בשל מבנה 2-שיא וכתוצאה מכך שלהם ספקטרה XPS. תערובת של U(V) ו U(VI) מינים יכול להסביר את התוצאה, למעט הקמת מדינה אחת U(V) חימצון צפוי עבור₂O U₅.

שיטת ההכנה שלנו מאפשר הכנת סרטים רזה של אורניום אוקסיד עם מצבי חמצון יחיד U(IV), U(VI) ו- U(V). כל התהליך של הכנת הדוגמא לוקח מקום בחיי עיר בתוך מכשיר המתוחזקים על ואקום גבוה במיוחד. התברר כי הפחתת אז פרט להתמחות₃ על ידי אטומי מימן לא ממשיך אז פרט להתמחות₂ אך ניתן לעצור ב- U(V). גורם הזמן חשוב מאוד כמו גם הטמפרטורה של המדגם במהלך תהליך צמצום. עם ספקטרומטר photoemission ברזולוציה גבוהה, זה הוצג כך מדגם טהור של₂O U₅ יכול להיות מוכן בתוך באתרו. הכנת סרטים עבה יותר צריך להיות שלב נוסף בהסתכלות מבנה לחקר הגבישים ומאפיינים בתפזורת עם טכניקות באתרו לשעבר .

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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