UO2 증 착 직류 스퍼터 링 및 연속 산화와 산소 원자와 원자 수소 감소를 통해 U2O5 영화 준비

요약

이 프로토콜 초고 진공에서 U₂O₅ 박막 얻은 현장에 준비를 제공합니다. 과정 각각 산화와 산소 원자와 원자 수소, UO₂ 영화의 감소를 포함.

초록

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.

서문

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, UO_{x 2 +} 산화 지질 저장 동안 중요 하 고 중요 한 안전 문제^1,2이다. 이 우라늄 산화물 및 환경^3,4,,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 UO_{2 + 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.

프로토콜

1. 샘플 홀더 준비

참고: 샘플 홀더 주위 분위기 아래 Labstation 외부의 처리 장갑과 깨끗 한 핀셋으로 수행 되어야 한다.

1. 샘플 홀더 준비 및 청소 해 라 전
   1. 금박 (Au) 청소 (0.025 m m 두께, 99.99%, 재료의 표참조) 아세톤과 8 x 8 m m 크기의. 스테인리스 또는 몰 리브 덴 홀더에 호 일 구체적으로 Labstation를 위한 장소와 용접 탄탈 와이어에 의해 소유자에 호 일을 해결.
   2. 샘플 홀더 및 아세톤으로 다시 호 일을 청소 하 고 말리는 Labstation 소개 하기 전에 주변 분위기에서.
      참고: 샘플 홀더 골드 호 일의 사진 그림 1의 삽입에 표시 됩니다.
2. Labstation 샘플 홀더의 소개
   1. 로드 잠금 챔버와 차고 챔버 (C1/C2) 사이 UHV 밸브를 닫습니다. C1의 문을 고정 나사, untighten 고 대기 압력, 문 열기 사용 압력을가지고 질소 밸브를 엽니다.
   2. C 1을 샘플 홀더를 소개 합니다. C 1의 문을 닫고 기본 진공 밸브를 엽니다.
   3. 주 진공 약 1 mbar의 압력에 도달 하면 기본 펌프에 밸브를 닫습니다. 오픈 밸브 연결 UHV 터보 펌프에 즉시 이후에. 압력 10^-7 mbar에 도달할 때까지 기다립니다.
      참고:이 마지막 단계는 최소 1 ~ 3 h, 샘플 outgassing에 따라 걸릴 수 있습니다.
3. 준비 약 실 (B1)에 전송
   1. 중간 챔버에 전송 상공에서 전송 수레를 이동 하 고 C2와 C3 사이 밸브를 닫습니다. C 1과 C2 사이 있는 밸브를 엽니다. C 1의 전송 막대를 사용 하 여 c 2 샘플 홀더를 전송.
      참고: C2 C1 및 선형 전송 챔버는 Labstation의 모든 챔버에 공통 사이 중간 챔버입니다. 그것은 (약 10^-9 mbar) 시스템의 나머지 부분에서 가난한 진공 (10^-7 mbar)는 로드 잠금 챔버를 분리 합니다. 샘플 전송 수행할 수 있습니다 빠르게 로드 잠금에서 상대적으로 가난한 진공에는 Labstation를 청결 한 유지 하는 동안.
   2. 샘플 홀더 c 2에서 마차에 앉아, 후 다시 전송 로드 C1을 가져오고 c 1과 C2 사이 밸브를 닫습니다. C2 및 C3 선형 전송 챔버 사이의 밸브를 엽니다.
   3. 선형 전송 챔버에 마차를 놓고 C2와 C3 사이 밸브를 닫기 전에 운전 자석에 연결 합니다.
   4. 선형 전송 컨트롤 (LTC, 그림 2) 준비 실 b 1의 위치에 마차를 전송 프로그램을 사용 합니다.
   5. 선형 이동 약 실 및 준비 실 B1 사이의 밸브를 엽니다. 이동 막대를 사용 하 여 샘플 준비 실 지 하 1 층에에서 위치. 전송 막대를 초기 위치로 다시 일단 선형 이동 약 실 및 준비 실 B1 사이의 밸브를 닫습니다.
4. 현장에서 샘플 홀더의 청소
   1. 5 x 10^-5 mbar의 압력에 도달 아르곤 밸브를 엽니다.
   2. 샘플 홀더 표면 이온 총을 얼굴에 수직 위치 (IG10/35, 재료의 표참조).
   3. Ar 이온 스퍼터 링 시작 하 이온 총에 전환 (2 keV, 현재 10 mA 방출) 이온 총에서 10 분 스위치에 대 한 청소 유지.
   4. 다음 샘플 홀더 접촉 열전대를 가져와 anneal 5 분 773 K에서 샘플을 전자 빔 히터에 전환. (10^-7 mbar 범위)에 초기 상승, 후 압력 outgassing 완료를 나타내는 약 10^-8 mbar 다시 떨어진다. 전자 빔 히터 오프 스위치와 실내 온도 (RT) 아래로 샘플 식.
   5. 준비 실 B1 사이의 선형 전송 챔버, 밸브를 열고 전송 막대를 사용 하 여 수레에 샘플 홀더 위치. B1 챔버의 밸브를 닫습니다.
5. 샘플 홀더 특성화
   참고: 고해상도 엑스레이 광전자 분광학 (XPS) 측정 반구형 분석기를 사용 하 여 수행 했다 ( 재료의 표참조). 마이크로 포커스 소스 ( 재료의 표참조)는 단색 및 알 Kα의 방사선을 생성 하는 데 사용 되었다 120 W에서 작동 (E = 1,486.6 eV). 계의 교정 수행 되었다 eV 수 932.7(1)에서 83.9(1) eV 결합 에너지 (수), 가치의 생산 Au 금속의 4 층_7/2 선 및 Cu 금속 2 p_3/2 라인을 사용 하 여.
   1. LTC 프로그램 A4 분석 실의 위치를 사용 하 여 원격 제어 하 여 마차를 전송.
      참고: 분석 실에서 배경 압력은 2 x 10⁻¹⁰ mbar.
   2. 분석 실의 A4 밸브 열고 분석 실로 A4 선형 전송 상공에서 샘플을 전송 막대를 사용 합니다. A4 분석 실의 밸브를 닫습니다.
   3. 샘플 수집 프로그램 (그림 3)를 사용 하 여 분석 위치를 전송 합니다.
   4. 냉각수에는 분 광 광도 계의 X-ray 소스 전환 (양극 전압 = 15 keV, 방출 전류 = 120 mA).
   5. 수집 프로그램 (그림 3)를 사용 하 여 데이터 수집을 시작 합니다.
      참고: 샘플 위치의 최적화 최대 신호 강도를 수집 프로그램을 수행할 수 있습니다.
      참고: 광전자 방출 스펙트럼 실시간 유지 샘플 표면에서 찍은
   6. 다음 매개 변수를 사용 하 여 개요 스펙트럼의 측정을 시작: 애_ini 100 eV, 애_{지 느 러 미} = 1500 eV = 스캔 시간 = 300 s, 포인트의 N ° 1,401, 패스 에너지 = 50 eV = 슬릿 = 7 x 20 m m 직경, 모드 = 1.5 케빈/중간 영역 모드.
      참고: 될 대략 284.5 eV에서 C1s 피크의 부재 표면 청결 임을 나타냅니다.
   7. 다음 매개 변수 Au4 층 코어 레벨 스펙트럼의 수집을 시작: 애_ini = 1,396.6 eV, 애_{지 느 러 미} 1,406.6 eV = 스캔 시간 = 60 s, 포인트의 번호 201, 패스 에너지 = 30 eV = 슬릿 = 6 mm 직경, 모드 = 1.5 케빈/중간 영역 모드 .
      참고:이 후자의 측정 것입니다 비교 될 스펙트럼에 영화의 해당 두께 평가를 금박에 UO₂ 필름 증 착 후.
   8. 일단 샘플 홀더 (Au 호)의 표면 분석 분석 챔버 전송 막대를 사용 하 여 선형 전송 챔버에 마차에 샘플 홀더를 A4의 밸브를 엽니다.

2. 박막 준비

참고: 우라늄 산화물 박막 직류 (DC) 사용 하는 우라늄 금속 목표, 가스 혼합물 아칸소 (6 N)와 O₂ (4.5 N) 부분 압력의 스퍼터 링에 의해 제자리에 준비가 되어있습니다.

1. UO₂ 필름 증 착
   1. LTC 프로그램을 사용 하 여 원격 제어에 의해 준비 실 b 2의 위치에 샘플 홀더를 운반 하는 수레를 전송 합니다.
   2. B2, 준비 실의 밸브 열고 전송 막대 B2 한가운데 위치한 스퍼터 소스 아래 샘플 홀더 위치.
      참고: 스퍼터 링 과정을 하기 전에 스퍼터 소스의 셔터 닫혔는지 확인 합니다.
   3. 선형 전송 상공에서 b 2 챔버 분리 밸브를 닫습니다. 다음, O₂ 밸브를 열고 10⁻⁵ mbar x 2.5 산소 부분 압력을 조정 합니다. 5 x 10^{− 3} mbar의 부분 압력에 도달 아르곤 밸브 가스를 엽니다.
   4. 스퍼터 링 프로그램 (그림 4)를 사용 하 여 다음 매개 변수를 입력: 증 착 시간 = 300 s, 우라늄 목표 전압 =-700 V, 현재 우라늄 대상 = 2 mA, 필 라 멘 트가 열 = 3.3 V/3.9 A, 필 라 멘 트 일 전압 = 40 V.
      참고: 약 120 기다리는 스퍼터 소스의 닫힌 셔터 스퍼터 링의 s.
   5. UO₂ 의 Au 호 일에 있도록 스퍼터 소스의 셔터를 연 후 즉시 타이머를 시작 합니다.
      참고: 자기장을 안정화 없이 낮은 Ar 압력에서 작동, 25-50 eV 에너지 (조립 설치)의 주사는 다이오드에서 플라즈마를 유지 하기 위해 활성화 했다.
   6. 300 후 스퍼터 링 중지 s, 해당 사용 하 여 프로그램, 그리고 아칸소 및 O₂ 가스 밸브를 닫습니다.
      참고: 플라즈마의 푸른 빛은 사라지고 모든 스퍼터 링 매개 변수 0에 떨어질 것 이다.
      참고: B2 준비 챔버의 압력 10^-8 mbar에 도달할 때까지 기다립니다.
   7. 샘플 준비 실 B1, 그리고 샘플 부드러운으로 어 닐 링, 전자 빔 히터 스위치 가져오고 573 K. 온도 설정
      참고: 난방을 중지 하기 전에 3 ~ 5 분 기다립니다.
2. UO₂ 예제 특성
   참고: XPS에 의해 샘플의 특성에 대 한 샘플 홀더 특성에 대 한 설명 하는 동일한 절차 따라야 한다.
   1. 준비 실 B1 및 전송 막대를 사용 하 여 수레를 샘플을 전송 하려면 선형 전송 챔버 사이의 밸브를 엽니다. 준비 약 실 b 1에 다시 전송 막대 설정 다음 선형 이동 약 실에서 격리 밸브를 닫습니다.
   2. 1.5.1 1.5.6 단계에 설명 된 동일한 절차를 따릅니다.
      참고: 개요 스펙트럼 추가 불순물 봉우리 (C1s, 스퍼터 소스 주택에서 교차 오염)를 제외 하 고는 U:O (대략) 제어 함으로써 UO₂ 영화 품질의 제어 가능 영화의 비율입니다.
   3. Au4 층 코어 수준 (단계 1.5.7 같이 유사한 매개 변수)의 수집을 시작 합니다.
   4. U4 층, O1s및 원자가 악대 (VB) 다음 매개 변수: 통과 에너지를 사용 하 여 인수 진행 30 eV = 슬릿 = 7 x 20 m m 직경, 모드 = 1.5 케빈, 중간 지역.
      
      U4 층: 애_ini 1,066.6 eV 애_{지 느 러 미} = 1,126.6 eV 검색 시간 = = 포인트 300 s N ° 601 =
      O1: 애_ini 946.6 eV 애_{지 느 러 미} = 966.6 eV 검색 시간 = 포인트 300 s N ° = = 201
      Vb: 애_ini 1,473.6 eV 애_{지 느 러 미} = 1,488.6 eV 검색 시간 = = 포인트의 1800 s N ° 601 =
      
      참고: UO₂ 영화에 대 한 얻은 스펙트럼은 그림 5에 보고 됩니다.
3. UO₂ 원자 산소의 산화
   참고: 원자 플럭스를 지정 ( 재료의 표참조) > 10¹⁶ 원자/cm²/s, 해당 20까지 노출 하 대략 10 Langmuirs의 s (즉,., x 10^{− 3} Pa•s 1.33).
   1. 전송 준비 실로 B3 샘플 운반 수레. 준비 실의 B3, 밸브 열고 전송 막대 원자 소스 앞 B3 내부 샘플 위치. 선형 이동 약 실에서 챔버 격리 밸브를 닫습니다.
   2. -샘플 홀더의 온도 도달을 수 있도록 573 K. 대기 5 분 샘플 온도 설정 합니다.
   3. 산소 밸브를 열고 1.2 x 10^-5 mbar O₂부분 압력을 설정 합니다. 원자 소스에 대 한 냉각 물에 전환 합니다.
   4. 원자 소스에 전환 하 고 설정 전류 20 mA. 산화 원자 소스 샘플을 정확한 시간에 주의. 산화 시간이 너무 짧은 경우에, UO₃ 산화로 그림 6에 보고 완전 한 수 있습니다.
   5. UO₃ UO₂ 의 완전 한 산화를 달성 하 고 산소 밸브를 닫기 전에 원자 소스 전환에 20 분을 기다립니다. 일단 준비 실 b 3의 압력은 10^-7 mbar, 선형 전송 챔버에 마차에 샘플을 전송 밸브를 엽니다. 그런 다음 준비 챔버 b 3의 밸브를 닫습니다.
4. UO₃ 얻은 UO₂ 원자 산소의 산화 후의 분석
   1. 1.5.1 1.5.6; 단계 분석 실에 샘플을 전송 그런 다음, 분석, 절차에 따라 동일한 단계 2.2.4에에서 설명 된 대로.
      참고: UO₃ 의 해당 스펙트럼은 그림 7에 보고 됩니다.
5. UO₃ 원자 수소의 감소
   1. 샘플 준비 챔버 b 3 전송 하려면 2.3.1, 2.3.2 단계를 따릅니다.
   2. 수소 밸브를 열고 3 x 10^-5 mbar 부분 압력을 설정 합니다. 원자 소스에 대 한 냉각 물에 전환 합니다. 원자 소스에 전환 하 고 현재 30 설정 mA.
   3. 60 기다려 s 원자 소스에서 전환 하기 전에 감소 시간. 정확한 시간을 줄이기 위해 원자 소스와 샘플에 주의. 감소 시간이 너무 긴 경우 다음 UO_{2 + x} 는 더욱 감소 UO₂ 그림 8에서 보고. 이 경우, 샘플 해야 합니다 수 산화 다시 원자 산소 (UO₃를 했던) 것 처럼, 그 해당 스펙트럼 그림 9에 보고 됩니다.
6. UO₃ 원자 수소의 감소 후 얻은 U₂O₅ 의 분석
   1. 1.5.1 1.5.6; 단계 분석 실에 샘플을 전송 그런 다음, 분석, 절차에 따라 동일한 단계 2.2.4에에서 설명 된 대로.
      참고: U4 층, O1s, 그리고는 VB의 얻은 스펙트럼은 그림 10에 보고 됩니다. U₂O₅불완전 한 감소의 예를 들어, 그림 6 에서 같이 비슷한 스펙트럼 얻을 수 있습니다.

결과

U(V)의 식별 특성 U4 층 남자 용 상의 동반 하는 급 위성의 특성 에너지에 의해 쉽게 수행할 수 있습니다. 결합 에너지는 본질적인 에너지 손실 프로세스와 관련 된 위성 나타납니다 우라늄 산화 상태에 따라 달라 집니다.

UO₂ (빨간 곡선), U₂O₅ (녹색 곡선), U(V) 및 U(VI) UO₃ (분홍색 곡선), 다음 왼쪽에서 우라늄 금속 (검은색 곡선)에서 U(0)에 비해 우라늄 4f 코어 레벨 x 선 광전자 방출 스펙트럼 U(IV)에 대 한 기록 그림 11의 부분입니다. 해당 O1s 코어 수준 스펙트럼 superposed 이며 그림 11의 오른쪽 부분에 보고.

그림 11의 센터 부분에 U4 층_7/2 코어 수준 봉우리는 위성 및 본선 (아래쪽) 사이의 에너지 분리 (ΔE)의 시각화 수 있도록 메인 라인 (상반신) superpose 이동 되었습니다. 증가 함께 산화 상태, 에너지 분리 증가, 위성 강도 감소 하는 동안. 스펙트럼은 두께에서 약 20 monolayers의 얇은 필름에 획득 했다. 위성 에너지 피크와 4f_5/2 (4f_7/2) 방출 선 우라늄 원자의 산화 상태에 대 한 지문 처럼 사용 되었다. UO₂, U₂O₅, UO₃ 같은 영화에서 얻은의 원자가 밴드 스펙트럼은 그림 12에 보고 됩니다.

프로토콜에서 설명 하는 스펙트럼은 준비 실 b 2에서에서 증 착 후 얻은 UO₂ 영화 (그림 5)에 대응 합니다. 이 영화는 다음 원자 산소로 산화 됩니다. 산화 시간에 따라 결과 수 UO_{2 + x} ( 그림 6에서 보고) 또는 UO₃ (로 그림 7에 보고). 또한, UO₃ 에 수소 원자 감소 너무 긴 경우에, 그것은으로 돌아갑니다 UO₂ 그림 8에서 보고. 이 경우에, reoxidation UO₃ 그림 9 에서 보고 일어나 야 한다 그림 10에 표시 된 대로 다시 U₂O₅를 적절 한 시기와 그것을 감소 하기 전에. 결과 표시 산화와 감소 프로세스 되돌릴 수 있습니다.

그림 1 : 사진 및 Labstation 컴퓨터의 회로도 개발 표면 과학 연구 현장에서 사용할 수 있도록 JRC 칼 스루에. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 2 : 선형 전송 제어 프로그램의 스크린샷을. 프로그램의 수 있습니다 (v i) 샘플 운반 수레 선형 전송 챔버 다른 챔버 위치에 따라. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 3 : 수집 프로그램의 스크린샷을. 측정 조건, 도입 되 면 측정의 시리즈 x 선 발생기에 전환 후 자동으로 수행할 수 있습니다. 샘플 위치 창에서는 분석 실에서 샘플의 위치. X, y, 및 z 에 따라 조정의 신호 강도 최적화 할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 4 : 스퍼터 제어 프로그램의 스크린샷을. 스퍼터 링 조건 자체 개발한이 프로그램을 선택할 수 있습니다. 정의할 변수 중에 난방과는 필 라 멘 트의 작동 전압 및 최대 2 개의 목표의 전압. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 5 : U4 층, O1s, 및 원자가 UO₂ 영화, 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학에 의해 측정의 증 착 후 스펙트럼 밴드. 피크와 위성 위치는 UO₂ 샘플의 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 6 : U4 층, O1s, 및 원자가 산화 UO₂ 원자 산소, 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학에 의해 측정 후 스펙트럼 밴드. 산화 시간 너무 짧습니다, 따라서 UO₃ 산화 완전 하지 않습니다. 위성 및 피크 위치는 특성 UO_{x 2 +} 그리고 그림 7에는 UO₃ 의 아닙니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 7 : U4 층, O1s, 및 원자가 밴드 스펙트럼 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학을 사용 하 여 원자 산소로 산화 UO₂ 영화 후 측정. 피크와 위성 위치는 UO₃ 샘플의 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 8 : U4 층, O1s, 및 원자가 밴드 스펙트럼 UO₃ 원자 수소의 감소 후 측정. 감소 시간 너무 오래, 따라서 U₂O₅ 추가 UO₂로 감소 된다. 위성 및 피크 위치는 UO₂ 과 하지 U₂O₅ 샘플 그림 10에 보고의 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 9 : U4 층, 샘플의 O1s, 원자가 악대에서 얻은 그림 8 다시 UO₃원자 산소로 산화 하는 고. 위성 및 피크 위치는 UO₃ 샘플의 특성. 감소와 산화의 프로세스 따라서 되돌릴 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 10 : U4 층, O1s, 및 원자가 원자 수소, 고해상도 x 선 광전자 방출 분광학에 의해 측정 UO₃ 영화의 감소 후 스펙트럼 밴드. 피크와 위성 위치는 U₂O₅ 샘플의 특성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 11 : U4 층 및 O1 코어 레벨 x 선 광전자 방출의 스펙트럼 U(IV) UO₂ (빨간 곡선), U₂O₅ (녹색 곡선), U(V) 및 U(VI) UO₃ (분홍색 곡선), 우라늄 금속 (검은색 곡선)에서 U(0)에 비해 다음. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 12 : UO₂ (빨간 곡선), U₂O₅ (검은색 곡선), U(V) 및 U(VI) UO₃ (분홍색 곡선)에 U(IV)의 원자가 밴드 스펙트럼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

토론

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 U₃O₈^{10 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.

자료

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