Name: u2o5 film preparation via uo2 deposition by direct current sputtering and successive oxidation and reduction with atomic oxygen and atomic hydrogen
Uploaded: 2019-02-21T14:00:00
Duration: 12 min 5 s
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1. 样品支架制备
注: 在环境气氛下, 应使用手套和干净的推拿器对实验室外的样品支架进行处理。
<ol><li>
样品夹准备和异地清洗
	<ol>
<li>用丙酮清洁尺寸为 8 x 8 mm 的金 (金) 箔 (厚度 0.025 mm, 99.99, 见材料表)。将铝箔放在专门为拉库盘设计的不锈钢或钼支架上, 并用点焊钽丝将铝箔固定在支架上。</li>
		<li>再次用丙酮清洁样品架和铝箔, 并让它在环境气氛下干燥, 然后再介绍到拉布站。 注: 带有金箔的样品架的照片显示在图 1的内附中。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
将样品持有人引入拉车站
	<ol>
<li>关闭负载锁紧室和车库室之间的特高压阀 (c半 c2)。解开螺丝, 固定 c1 门, 打开氮气阀, 使压力达到大气压力, 使门能够打开。</li>
		<li>将样品支架引入 c1。关闭 c1 门, 打开主真空的阀门。</li>
		<li>当一次真空达到约1毫巴的压力时, 将阀门关闭到主泵。之后立即打开与特高压涡轮分子泵连接的阀门。等待, 直到压力达到10-7毫巴。 注: 最后一步至少需要1至 3小时, 具体取决于样品排气。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
转移到制备室 (b1)
	<ol>
<li>将运输车从传输室移动到中间室, 并关闭 c2 和 c3 之间的阀门。打开位于 c1 和 c2 之间的阀门。使用 c1 的转移杆将样品支架转移到 c2。 注: c2 是 c1 和实验室所有室共有的线性传输室之间的中间室。它分离装载锁室, 有一个差真空 (10-7毫巴) 从系统的其余部分 (大约10-9毫巴)。样品传输可以在负载锁定中相对较差的真空下快速执行, 同时保持 labstation 的清洁。</li>
		<li>样品支架在 c2 中的货车上坐下后, 将转移杆带回 c1, 并关闭 c1 和 c2 之间的阀门。打开 c2 和线性传输室 c3 之间的阀门。</li>
		<li>将货车放置在线性传输室, 并将其连接到驱动磁铁, 然后关闭 c2 和 c3 之间的阀门。</li>
		<li>使用程序线性传输控制 (ltc,图 2) 将旅行车转移到准备室 b1 的位置。</li>
		<li>打开线性转移室和准备室 b1 之间的阀门。使用转移杆将样品放置在制备室 b1 中。一旦转移杆回到其初始位置, 关闭线性转移室和准备室 b1 之间的阀门。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
样品支架的原位清洗
	<ol>
<li>打开氩阀, 达到 5 x10-5毫巴的压力。</li>
		<li>将样品支架表面垂直放置在离子枪 (ig/35, 请参见材料表) 上。</li>
		<li>打开离子枪启动 ar 离子溅射 (2 kev, 10 ma 发射电流), 并持续清洁 10分钟, 关闭离子枪。</li>
		<li>将热电偶与样品支架接触, 然后打开电子束加热器, 以 773 k 的速度将样品退火5分钟。在最初上升 (进入10-7毫巴范围) 后, 压力回落到10-8 毫巴左右,表明排气量已经完成。关闭电子束加热器, 让样品冷却至室温 (rt)。</li>
		<li>打开准备室 b1 和线性转移室之间的阀门, 然后使用转移杆将样品支架放置在货车上。关闭 b1 腔的阀门。</li>
	</ol>
</li>
	<li>
样品支架特性 注: 使用半球形分析仪进行了高分辨率 x 射线光电子能谱 (xps) 测量 (见材料表)。一个装有单色仪并在 120 w 下工作的微聚焦源 (见材料表) 被用来产生 al kharn (e = 1 486.6 ev) 的辐射。分光计的校准是使用 au 金属的4f72 线进行的, 产生的值为 83.9 (1) ev 结合能 (be), 并在 932.7 (1) ev 的情况下产生铜金属的 2p2 线。<ol>
<li>使用 ltc 程序将货车通过远程控制转移到分析室 a4 的位置。 注: 分析室的背景压力为 2 x10-10毫巴。</li>
		<li>打开分析室 a4 的阀门, 然后使用转移杆将样品从线性转移室取出, 对 a4 室进行分析。关闭分析室 a4 的阀门。</li>
		<li>使用采集程序将样品传输到分析位置 (图 3)。</li>
		<li>打开分光光度计的冷却水和 x 射线源 (阳极电压 = 15 kev, 发射电流 = 120 ma)。</li>
		<li>使用采集程序开始数据采集 (图 3)。 注: 可以通过采集程序对样品位置进行优化, 以获得最大的信号强度。 注: 从保持在 rt 的样品表面提取了光发射光谱。</li>
		<li>使用以下参数开始测量概述谱: keini = 100 ev, kefin = 1, 500 ev, 扫描时间 = 300 s, n°ds 点 = 1 401, 传递能量 = 50 ev, 裂隙 = 7 x 20 mm 直径, 模式 = 1.5 kev/介质区域模式。 注: 在 284.5 ev be 处没有c1s峰值表示表面是干净的。</li>
		<li>开始获取 au4f核心电平频谱, 参数如下: keini = 1, 396.6 ev, kefin = 1, 406.6 ev, 扫描时间 = 60秒, 点数 = 201, 传递能量 = 30 ev, 缝隙 = 6 毫米直径, 模式 = 1.5 kev/介质面积模式. 注: 后一种测量将与 uo2 薄膜沉积后的光谱进行比较 , 以评估薄膜的相应厚度。</li>
		<li>分析样品支架 (au 箔) 的表面后, 打开分析室 a4 的阀门, 使用转移杆将样品支架放置在货车上的货车上。</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. 薄膜制备
注: 氧化铀薄膜是利用 r (6n) 和 o- 2 (4.5 n) 分压的铀金属靶点和气体混合物, 通过直流 (dc) 溅射原位制备的。
<ol><li>uo2 薄膜的沉积
	<ol>
<li>通过使用 ltc 程序的远程控制, 将携带样品架的货车转移到制备室 b2 的位置。</li>
		<li>打开制备室 b2 的阀门, 并使用转移杆, 将样品夹持器放置在位于 b2 中间的溅射源下。 注: 在溅射过程之前, 请确保溅射源的快门关闭。</li>
		<li>关闭阀门, 将 b2 室与线性转移室隔离开来。然后, 打开 o2阀, 并将氧分压调整为 2.5 x 10-5 毫巴.打开氩阀气体, 达到 5 x 10-3 毫巴的分压。</li>
		<li>使用溅射程序 (图 4) 输入以下参数: 沉积时间 = 300秒, 铀目标电压 =-700 v, 铀目标电流 = 2 ma, 长丝加热 = 3.3 v\ 3.9 a, 长丝工作电压 = 40 v。 注: 使用溅射源的闭合快门等待约120秒的溅射。</li>
		<li>打开溅射源的快门后, 立即启动计时器, 以便在 au 箔上沉积uo2 。 注: 为了在低 ar 压力下工作, 而不稳定磁场, 注射 25-50 ev 能量 (三极设置), 使其能够保持二极管中的等离子体。</li>
		<li>在300秒后停止溅射, 使用相应的程序, 并关闭 ar 和 o2 气阀。 注: 等离子体的蓝光将消失, 所有溅射参数将降至零。 注: 等待, 直到准备室 b2 的压力达到 10-8毫巴。</li>
		<li>将样品放入制备室 b1, 并为使样品顺利退火, 请打开电子束加热器, 将温度设置为 573 k。 注: 在停止加热之前, 请等待3到5分钟。</li>
	</ol></li>
	<li>uo2 样品表征 注: 对于 xps 对样品的表征, 应遵循与样品持有人特征相同的步骤。<ol>
<li>打开准备室 b1 和线性转移室之间的阀门, 使用转移杆将样品转移到货车上。将转移杆设置回准备室 b1, 然后关闭阀门, 将其与线性转移室隔离。</li>
		<li>按照步骤 1.5.1 1.5.6 中描述的相同过程。 注: 概述频谱允许控制 uo2 薄膜的质量, 排除额外的杂质峰 (c1s, 溅射源外壳的交叉污染) 和控制 (大致) u:o膜的比例。</li>
		<li>开始获取 au4f核心级别 (类似的参数, 如步骤 1.5.7)。</li>
		<li>使用以下参数进行 u4f、o1 和价带 (vb) 的采集: 传递能量 = 30 ev, 缝隙 = 7 x 20 mm 直径, 模式 = 1.5 kev, 中等面积。 u4f:keini = 1, 66.6 ev ke鳍 = 1, 126.6 ev 扫描时间 = 300 s n°点 = 601 o1s:keini = 946.6 evke fin = 966.6 ev 扫描时间 = 300 s n°点 = 201 vb:keini = 1, 473.6 ev ke fin = 1, 488.6 ev 扫描时间 = 1, 800 s n°点 = 601 注: uo2 薄膜的获得光谱如图 5所示。</li>
	</ol></li>
	<li>用原子氧氧化 uo2 注: 原子通量 (见材料表) 指定给和 gt;1016个原子/厘米 2/,对应于曝光20左右约10朗穆尔 (即 1.33 x 10-3 p·s ).<ol>
<li>将携带样品的货车转移到制备室 b3。打开制备室 b3 的阀门, 用转移杆, 将样品放置在原子源前面的 b3 内。关闭阀门, 将腔与线性传输室隔离开来。</li>
		<li>将样品温度设置为 573 k 等待 5分钟, 使样品达到支架的温度。</li>
		<li>打开氧气阀, 将分压设置为 1.2 x 10-5毫巴 o2。打开原子源的冷却水。</li>
		<li>打开原子源, 并将电流设置为 20 ma。注意用原子源氧化样品的确切时间。如果氧化时间太短, 则氧化到 uo3 可能不完整, 如图 6所示。</li>
		<li>等待 20分钟, 实现 uo2完全氧化为 uo3,并关闭原子源, 然后关闭氧气阀。一旦制备室 b3 的压力为10-7毫巴, 打开阀门将样品转移到线性转移室中的货车上。然后, 关闭准备室 b3 的阀门。</li>
	</ol></li>
	<li>用原子氧氧化 uo2后获得的 uo3 分析
	<ol>
<li>按照 1.5.1 1.5.6 的步骤将样品转移到分析室;然后, 对于分析, 请按照步骤2.2.4 中所述的相同过程进行分析。 注:图 7报告了 uo3 的相应光谱.</li>
	</ol></li>
	<li>氢原子还原 no 3
	<ol>
<li>要将样品转移到制备室 b3, 请按照步骤2.3.1 并2.3.2。</li>
		<li>打开氢阀, 将分压设置为 3 x 10-5毫巴。打开原子源的冷却水。打开原子源, 并将电流设置为 30 ma。</li>
		<li>在关闭原子源之前, 请等待60秒的还原时间。请注意用原子源减少样品所需的确切时间。如果减少时间太长, 则像图 8中所述, 则将2+x 进一步简化为 uo2 .如果发生这种情况, 样品必须再次被原子氧氧化 (就像我们为获得 uo3所做的那样), 其相应的光谱如图 9所示。</li>
	</ol></li>
	<li>用氢原子还原uo3后得到的 u2o5 分析
	<ol>
<li>按照 1.5.1 1.5.6 的步骤将样品转移到分析室;然后, 对于分析, 请按照步骤2.2.4 中所述的相同过程进行分析。 注:图10报告了u4f、o1 和vb 的光谱。作为 u 2o5 不完全还原的一个例子, 得到了类似的光谱, 如图 6所示。</li>
	</ol></li>
</ol>

<ol>
	<li>Shoesmith, D. W., Sunder, S., Hocking, W. H., Lipkowski, J., Ross, P. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrochemistry+of+UO2+nuclear+fuel.">Electrochemistry of UO2 nuclear fuel.</a> Electrochemistry of Novel Materials. , (1994).</li><li>Shoesmith, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fuel+corrosion+processes+under+waste+disposal+conditions.">Fuel corrosion processes under waste disposal conditions.</a> Journal of Nuclear Matter. 282, 1-31 (2000).</li><li>Gouder, T., Shick, A. B., Huber, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+interaction+of+PuO2,+UO2+x+and+UO3+with+water+ice.">Surface interaction of PuO2, UO2+x and UO3 with water ice.</a> Topics in Catalysis. 56, 1112-1120 (2013).</li><li>Cohen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water+chemisorption+on+a+sputter+deposited+uranium+dioxide+film+-+Effect+of+defects.">Water chemisorption on a sputter deposited uranium dioxide film - Effect of defects.</a> Solid State Ionics. 263, 39-45 (2014).</li><li>Seibert, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+use+of+the+electrochemical+quartz+crystal+microbalance+(EQCM)+in+corrosion+studies+of+UO2+thin+film+models.">The use of the electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM) in corrosion studies of UO2 thin film models.</a> Journal of Nuclear Matter. 419, 112-121 (2011).</li><li>Majumder, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Syntheses+of+U3O8+nanoparticles+form+four+different+uranyl+complexes:+Their+catalytic+performance+for+various+alcohol+oxidations.">Syntheses of U3O8 nanoparticles form four different uranyl complexes: Their catalytic performance for various alcohol oxidations.</a> Inorganic Chimica Acta. 462, 112-122 (2017).</li><li>Gouder, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+observation+of+pure+pentavalent+uranium+in+U2O5+thin+films+by+high-resolution+photoemission+spectroscopy.">Direct observation of pure pentavalent uranium in U2O5 thin films by high-resolution photoemission spectroscopy.</a> Scientific Reports. 8, 1-7 (2018).</li><li>Rundle, R. E., Baeziger, N. C., Wilson, A. S., MacDonald, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+structures+of+the+carbides,+nitrides+and+oxides+of+uranium.">The structures of the carbides, nitrides and oxides of uranium.</a> Journal of the American Chemical Society. 70, 99 (1948).</li><li>Hoekstra, H. R., Siegel, S., Gallagher, F. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+uranium-oxygen+system+at+high+pressure.">The uranium-oxygen system at high pressure.</a> Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 32, 3237 (1970).</li><li>Kovba, L. M., Komarevtseva, N. I., Kuz'mitcheva, E. U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+crystal+structures+of+U13O34+and+delta-U2O5.">On the crystal structures of U13O34 and delta-U2O5.</a> Radiokhimiya. 21, 754 (1979).</li><li>Teterin, Y. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+of+synthetic+and+natural+uranium+oxides+by+X-ray+photoelectron+spectroscopy.">A study of synthetic and natural uranium oxides by X-ray photoelectron spectroscopy.</a> Physics and Chemistry of Minerals. 7, 151-158 (1981).</li></ol>

作者没有什么可透露的。

在厚度约为30个单层 (ml)的 u2o5 薄膜上获得的初步结果, 以及用高分辨率 x 射线光发射光谱获得的相应的核心电平光谱, 已在以前的出版物7。通过在大范围内的 o:u比范围内的厚度为2至50层的薄膜上获得的 x 射线光电子能谱, 报告了铀状态在氧化过程中的演变为 uo3 ( 图 11, 图 12)。通过将薄膜分别暴露在原子氧和氢原子中, 获得了薄膜氧化和薄膜还原。由于其厚度小、反应温度大, 可以确定从 iv 到 vi 的铀氧化状态的薄膜的均匀性。铀氧化物薄膜沉积在基板上, 使用直流溅射器, 并在 jrc 卡尔斯鲁厄开发了溅射源。溅射源安装在一个超高真空下的腔中, 就像拉布站的所有腔一样。虽然 uo2 可以直接获得, 但只有在用原子氧和氢原子进一步处理后, 才会获得 uo3 和 u2o5 薄膜. 主峰及其卫星位置的结合能使铀在原位生产的氧化铀薄膜中的氧化状态之间有了区别。高分辨率光谱是必要的, 以区分不同的氧化状态, 因为卫星结合能量是接近和低强度。
1948年, 首次发现了纯五价铀u2o5.后来, 根据 uo2和 u3o8 的混合物的高温 (673-1073 k) 和高压 (30-60 kbar) 对其进行了合成.然而, 在环境温度和压力条件下, u2o5 的存在和稳定性受到质疑, 这表明 u3o810 以下单相区域的下限为x =0.56 -0。6.到目前为止, 在高压和高温下或在热还原过程中制备 u2o5 是不可重复的;通常, 不可能为获得的样品分配一个单一的氧化状态。一些 u2o5 散装样品制备物作为 uo2 或 uo3 的混合物出现 , u (v) 与 u (iv) 或 u (vi) 共存, 如 u4o9 和 u 3o8. 例如, teterin 等人11 报告了在硫酸中浸出 u3o8的过程, 然后在氦大气中进行热处理, 声称结果与 u2o5 有关.由于其 xps 光谱中产生了双峰结构, 这一结论很容易被排除在外。u (v) 和 u (vi) 种的混合物可以解释结果, 不包括 u 2o5 预期形成的单一 u (v) 氧化状态.
我们的制备方法允许制备具有 u (iv)、u (vi) 和 u (v) 单氧化状态的氧化铀薄膜。样品制备的整个过程是在超高真空下维护的仪器内进行的。研究发现, 氢原子还原的 no 3 不会进入 uo2, 但可以在 u (v) 处停止。在还原过程中, 时间因素以及样品的温度都非常重要。利用高分辨率光发射光谱仪, 可以原位制备出 u2o5 的纯样品.制备较厚的薄膜应该是使用异地技术观察晶体结构和体积特性的下一步工作。

氧化铀是核废物的主要成分, 其在水中的溶解度与铀氧化状态有关, 从 u (iv) 增加到 u (vi)。因此, 在地质储存过程中, 2+x 氧化是一个重要而关键的安全问题1,2。这激发了对铀氧化物与环境之间表面相互作用的反应机制的研究3、4、5、6。这些知识对于处理核燃料循环废物的所有方面都至关重要。
虽然四价铀和六价铀作为固态系统已经很成熟, 也很常见, 但五价铀的情况并非如此, 尽管五价铀在乌兰复合物中具有稳定性, 而且发生在水溶液中。在铀氧化物中, u (v) 被认为是一种亚稳态中间体, 它不被报告为单态中间体, 而是与铀 (iv) 和 u (vi) 物种共存。因此, 没有关于 u2o5 的化学和物理性质的报告.这也是由于腐蚀实验的一个共同特征, 即样品暴露在腐蚀性环境中。这在表面 (暴露在氧化剂下) 和大部分样品之间的氧化状态下产生一个陡峭的梯度。更改发生在分析深度内。因此, 不同的氧化状态同时观察到, 不是因为混合价, 而是作为一个不完整的反应的人工制品, 导致一个非均质层。这两个问题可以通过使用薄膜而不是散装样品来解决。大量不同的系统可以用很少的起始材料进行制备, 并且由于没有体积, 避免了表面体积梯度。
这里报告的方法允许在不与大气接触的情况下就地制备非常薄的层 (在惰性基板上沉积的一些几十层原子层) 并对其表面进行分析。这是 labstation 的优势之一 (图 1), 它是一种模块化机器, 由不同的腔组成, 保持在动态超高真空 (uhv) 下, 达到 10-9-10-11毫巴的压力。分庭专门用于制备薄膜、表面处理 (气体吸附) 和表面光谱技术表征 [例如, x 射线光电子能谱 (xps), 紫外光谱 (ups), 低能量电子衍射光谱 (leed)]。样品安装在特定的样品支架上, 并使用运输车通过线性传输室在不同的腔间之间进行传输。所有腔都通过阀门连接到这个中心腔, 以便在任何时候都能隔离 (例如,用于气体灌装或维修)。从线性转移室中对样品的回收是通过安装在每个室上的转移杆来完成的。labstation 基系统是由一家外部公司制造的 (见材料表)。后来根据实验要求增加了延期和修改, 在 jrc 卡尔斯鲁厄制造了独特的设备。扩展包括溅射源 (薄膜制备的核心元素), 该源与溅射和数据采集程序一起在内部开发。样品的装载从环境大气到超高真空是通过专门设计的负载锁室完成的, 以执行多个样品处理, 并最大限度地减少达到约 10-8-10的最终压力的时间-9毫巴, 从而限制了系统的空气污染。labstation 是 jrc 卡尔斯鲁厄公司在表面科学领域多年经验和专业知识的成果。
为了从一个室传递到另一个房间, 样品安装在由外部磁铁驱动的运输货车上, 由计算机程序控制 (图 2), 并沿大约7米的线性传输室移动到预定的停止位置。室。
如果没有类似或关闭的安装, 实验可能很难重现。然而, 这一装置有助于 pamec 实验室的开放访问计划, 在该实验室中, 邀请外部用户提交由国际科学专家小组审查的提案。然后, 他们的评估允许用户进入 jrc 运营的基础设施。在提出请求后, 在协作框架内, 可以为外部用户准备薄膜, 以便在 jrc 卡尔斯鲁厄以外的地方进行分析和实验。
在本报告中, 我们提供了单价 u2o5 薄膜生长的详细协议, 该协议分别通过氧化和还原铀- 2的步骤得到, 分别与原子氧和氢原子原子有关。与 uo2 和 no2+x不同, 直流溅射不能直接沉积u2o5和 uo3 薄膜. 因此, 我们首先进行 uo2 薄膜的沉积,使用原子氧将其氧化为 uo3, 然后用氢原子将其还原回 u2o5 . 过程中的氧化还原时间和样品温度对结果有影响, 对掌握具有重要意义。用高分辨率 x 射线光电子能谱验证了正确的成分, 为铀 5f 1 电子结构提供了直接和定量的证据, 如对 u (v) 的预期。

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:607px;" width="607">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">1ary dry scroll vacuum pump</td>
			<td style="width:89px;">Agilent</td>
			<td style="width:119px;">SH-100</td>
			<td style="width:183px;">All chambers except B1</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">1ary pump</td>
			<td style="width:89px;">EDWARDS</td>
			<td style="width:119px;">nXDS10i 100/240V</td>
			<td>B1 chamber</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Acetone</td>
			<td style="width:89px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Acquisition programme</td>
			<td colspan="2">Developed in-house</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Analyser</td>
			<td style="width:89px;">Specs</td>
			<td>Phoibos 150 hemispherical&#160;</td>
			<td>A4 chamber</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Argon</td>
			<td style="width:89px;">BASI</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>6N</td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Atomic source</td>
			<td style="width:89px;">GenII plasma source</td>
			<td style="width:119px;">Tectra</td>
			<td>B3 chamber</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Au foil</td>
			<td style="width:89px;">Goodfellow</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">CasaXPS programme</td>
			<td style="width:89px;">CasaXPS</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Gauge 1ary vacuum&#160;</td>
			<td style="width:89px;">PFEIFFER</td>
			<td style="width:119px;">TPR 280 (2011/10)</td>
			<td>All chambers</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Gauge 2ary vacuum&#160;</td>
			<td style="width:89px;">VACOM</td>
			<td style="width:119px;">ATMION ATS40C</td>
			<td>All chambers</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Hydrogen gas</td>
			<td style="width:89px;">BASI</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>6N</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ion gun source</td>
			<td style="width:89px;">Specs</td>
			<td style="width:119px;">IG10/35</td>
			<td>B1 chamber</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Linear transfer programme</td>
			<td style="width:89px;">Specs</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Program delivered with the station</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Origin programme&#160;</td>
			<td style="width:89px;">Origin</td>
			<td style="width:119px;">OriginPro 8.1SRO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Oxygen gas</td>
			<td style="width:89px;"></td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>6N</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Sampler e-beam heater power supply</td>
			<td style="width:89px;">Specs</td>
			<td style="width:119px;">SH100</td>
			<td>B1 chamber</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Sampler resistance heater</td>
			<td style="width:89px;">Made in-house</td>
			<td style="width:119px;">power supply + Eurotherm</td>
			<td>B3 chamber</td>
		</tr>
		<tr height="61">
			<td height="61" style="height:61px;width:216px;">Sputtering programme</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Developed in-house</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Stainless steal or Molybdenum substrate</td>
			<td style="width:89px;">in house</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Ta wire</td>
			<td style="width:89px;">Goodfellow</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">turbo pump</td>
			<td style="width:89px;">PFEIFFER</td>
			<td style="width:119px;">TC 400</td>
			<td>All chambers&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Uranium target</td>
			<td style="width:89px;">in house</td>
			<td style="width:119px;">in house</td>
			<td style="width:183px;">Natural uranium target</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">Vacuum gauge controller</td>
			<td style="width:89px;">VACOM</td>
			<td style="width:119px;">MVC-3</td>
			<td>All chambers</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">X-ray source</td>
			<td style="width:89px;">Specs</td>
			<td style="width:119px;">XRC-1000 MF</td>
			<td style="width:183px;">Equipped with a monochromator</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

u2o5 film preparation via uo2 deposition by direct current sputtering and successive oxidation and reduction with atomic oxygen and atomic hydrogen

我们描述了一种使用 labstation实验室在 jrc 卡尔斯鲁厄开发的模块化机器--labstation 原位生产 u2o5 薄膜的方法. labstation 是极端条件下的光导剂性能的重要组成部分, 它允许使用 x 射线和紫外线发射等表面分析技术制备薄膜和研究样品表面(分别为 xps 和 ups)。所有的研究都是在原地进行的, 在超高真空下从制备到分析室的薄膜从未与大气接触过。最初, uo2 薄膜是由直流 (dc) 溅射沉积在金 (au) 箔上制备的, 然后被原子氧氧化产生 uo3 薄膜.后者然后用氢原子减少到 u2o5.在涉及氧化和还原的每一步后进行分析, 使用高分辨率光电子能谱检测铀的氧化状态。事实上, 在这一过程中, 基板的氧化和还原时间以及相应的温度对铀的氧化状态有严重影响。使用单个 u (v) 停止将uo3减少到 u 2o5 是相当具有挑战性的;首先, 铀-氧系统存在于许多中间阶段。其次, 铀氧化状态的分化主要是基于卫星峰, 其强度峰较弱。此外, 实验者应该知道, x 射线光谱 (xps) 是一种原子灵敏度为1% 到5% 的技术。因此, 重要的是要获得铀氧化状态的完整图片与整个光谱获得 u4f, o1 , 和价带 (vb)。labstation 中使用的程序包括由外部公司开发的线性传输程序 (参见材料表) 以及数据采集和溅射源程序, 这两个程序都是在内部开发的。

u (v) 的识别可以很容易地完成的振动卫星的特征能量伴随着特征 u 4f 双份 。卫星出现的结合能, 与内在能量损失过程有关, 取决于铀氧化状态。
铀 4f核心级 x 射线发射光谱记录在 uo2 (红色曲线) 中的铀 (iv)、u2o5 中的 u (v) (绿色曲线) 中的 u (v) 和 uo3 (粉红色曲线) 中的 u (vi), 然后在左侧的铀金属 (黑色曲线) 中与 U(0) 进行比较图 11的一部分。相应的 o-s 核心电平谱叠加在图 11的右侧进行叠加和报告。
在图 11的中心部分, u4f7/2核心电平峰值已被转移到叠加主线 (上半部分), 从而可以显示卫星和主线 (下半部分) 之间的能量分离 (e)。随着氧化状态的增加, 能量分离增加, 而卫星强度降低。在厚度约为20个单层的薄膜上得到了光谱。利用卫星能量峰值和 4f5/ 2 (4f7/)发射线作为铀原子氧化状态的指纹。图 12报道了在相同薄膜上获得的 uo2、u2o5 和 no 3 的价带谱.
该协议中描述的光谱与在制备室 b2 中沉积后获得的 uo2 薄膜 (图 5) 相对应.然后用原子氧氧化这片薄膜。根据氧化时间的不同, 结果可以是 uo2+x (如图 6所示) 或 uo3 (如图7 所示)。此外, 如果在 uo3 上使用氢进行原子还原的时间太长, 它将返回到 uo2, 如图 8所示.在这种情况下,应进行如图 9所示的对 uo3 的再氧化, 然后再在适当的时间将其还原, 以获得 u2o5, 如 图 10所示.结果表明, 氧化还原过程是完全可逆的。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig1.jpg"> 图 1* jrc karlsruhe 开发的实验室机的照片和原理图, 以便能够进行现场地面科学研究.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig1large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig2.jpg"> 图 2: 线性传输控制程序的屏幕截图.该程序允许携带样品 (i 至 v) 的旅行车在不同的室位置沿线性转移室转移。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig2large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig3.jpg"> 图 3: 采集程序的屏幕截图.一旦引入测量条件, 在打开 x 射线发生器后, 可以自动进行一系列测量。样品位置窗口可将样品定位在分析室中。可以沿x、y和z进行调整, 以优化信号的强度。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig3large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig4.jpg"> 图 4: 溅射控制程序的屏幕截图.溅射条件可以通过在内部开发该方案来选择。要定义的变量包括灯丝的加热和工作电压以及最多两个目标的电压。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig4large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig5.jpg"> 图 5: 用高分辨率 x 射线光发射光谱测量的 u-2 薄膜沉积后的 u4f、o1 和价带光谱.峰值和卫星位置是 uo2 样品的特征 。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig5large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig6.jpg"> 图 6: 用高分辨率 x 射线光发射光谱测量的 uo2 氧化后的 u 4f、o1s和价带谱.氧化时间太短, 因此氧化至 uo3是不完整的。卫星和峰值位置是 uo的特征 2+x而不是图 7中报告的 uo3 的特征。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig6large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig7.jpg"> 图 7: 利用高分辨率 x 射线光发射光谱, 用原子氧氧化 uo2 薄膜后测量 u4f、o1s和价带谱.峰值和卫星位置是 uo3 样品的特征 。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig7large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig8.jpg"> 图 8: 用氢原子还原 uo3 后测量的 u4f、o1s 和价带谱. 还原时间太长, 因此 u2o5 进一步简化为 uo2.卫星和峰值位置是 uo2 的特征,而不是图 10中报告的u2o5样本。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig8large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig9.jpg"> 图 9: u4f、o1 和在中获得的样本的价带图 8用原子氧重新氧化到 uo3.卫星和峰值位置是 uo3 样品的特征 。因此, 还原和氧化的过程是可逆的。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig9large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig10.jpg"> 图 10: 用高分辨率 x 射线光发射光谱测量的氢原子氧化铀3薄膜还原后的 u4f、o1 和价带谱.峰值和卫星位置是 u2o5 样品的特征 。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig10large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 11" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig11.jpg"> 图 11:u4f和o 1s核心水平 x 射线发射光谱 u (iv) 在 no2 (红色曲线), u (v) 在 u 2o5 (绿色曲线) 和 u (vi) 在 uo3 (粉红色曲线), 然后比较 U(0) 在铀金属 (黑色曲线).<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig11large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>
<img alt="Figure 12" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/59017/59017fig12.jpg"> 图 12: uo2(红色曲线) 中 u (iv)、u 2o5 (黑色曲线) 中 u (v)和 uo3 (粉红色曲线) 中 u (vi) 的值带谱.<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/59017/59017fig12large.jpg" target="_blank">请点击这里查看此图的较大版本.</a>

Watch this Scientific Journal Video about U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen at JoVE.co

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

利用uo2沉积制备 u2o5 薄膜, 利用原子氧和原子氢连续氧化还原

该协议介绍了在超高真空下原位获得的 u2o5 薄膜的制备方法.该过程涉及用原子氧和氢原子氧化和还原 uo2 薄膜。

We describe a method to produce U2O5 films in situ using the Labstation, a modular machine developed at JRC Karlsruhe. The Labstation, an essential part ...

因此，我们第一次能够制作U2O5的薄膜。这种材料很难制造，因为它位于两个非常稳定的氧化铀之间：Uo2，Uo3。而且，这就是为什么以前尝试使它失败。在这个实验室里，我们成功地制造它，作为厚度约200个单层厚度的薄膜。这是很少的，但足以研究其物理化学性质，特别是表面与环境的相互作用。薄膜从非常少量的起始材料中沉积，并严格控制。这样，可以通过高分辨率X射线对电子光谱进行表面成分调整和控制结果。除了氧化物，氮化物，碳化物和其他化合物可以在C2中准备和研究。实验使用卡尔斯鲁厄联合研究中心的实验室进行。实验室站允许制备薄膜和分析 C2 中的样品表面，而不会暴露在大气中。此示意图提供了实验室站的感知。有用于装载样品的腔室，以及用于存储样品的腔室，当装载时，样品位于样品架上，并放置在可以在线性运输室上移动的运输车车上。旅行车和样品可以在不同的制备室之间传输，标有B1"到B3"和分析室，每个腔室标有"A1"至"A4"转移杆，允许样品架在线性传输室之间和从线性传输室进行输送。整个系统保持在动态超高真空下。系统控制是通过在实验室里设置的计算机。将用于 Uo2 沉积的清洁金箔基板到装载室。金基板是点焊到不锈钢样品架上，用钛丝。通过隔离装载室开始装载，然后打开氮气阀并等待，直到气室达到大气压力。准备就绪后，打开腔室门，将样品滑车移动到装载位置。接下来，将样品架和样品放在滑车上。将车厢返回装货室，然后关闭车厢门。打开主真空阀。当压力约为 1 毫巴时，关闭阀门。然后，打开超高真空泵的阀门。使用装载室的转接杆，操纵样品架，然后将其移动到中间舱中的货车上。将输送杆返回装载室，并关闭装载室和中间舱之间的阀。打开中间和线性输送室之间的阀。将货车定位在转印室中，并在关闭阀门之前将其连接到驱动磁铁。返回到线性传输控制程序。要将其从当前位置移出，请选择调节室作为旅行车的目的地。然后，按开始开始运动。货车到达调节室的底座，从那里将装载。从调节室打开阀，并使用输送杆将样品支架移至内部。隔离腔室后，在使用 argon 溅射进行清洁之前，将样品架表面定向到对离子喷枪面上，使用 argon 溅射十分钟。完成后，将热电偶与样品架接触，并将样品退火五分钟。样品冷却后，将样品支架返回转印室，然后关闭调节室阀。使用控制软件将旅行车移动到下一个腔室进行高分辨率 X 射线光电子光谱。将样品转移到腔室，并做好测量准备。将样品在腔室中，转向采集软件进行测量。当样品准备就绪时，使用采集软件获取概览频谱以检查表面。在285电子伏特时没有碳-1 S峰值，表明表面是干净的。接下来，获取金-4 F核心级频谱供以后使用。它将与黄金上的Uo2光谱进行比较，以确定薄膜厚度。分析后，使用控制杆将样品转移回线性转移室。返回到线性传输控制软件，然后将带样品架的货车转移到直流溅射室。将样品架在腔室中间的溅射器源下。关闭溅射源快门后，打开氧气阀并调节氧部分压力。接下来，打开气阀，直到达到目标部分压力。转到溅射程序以设置过程的参数。然后，打开溅射源的快门并溅出 300 秒。停止溅射，并关闭气阀和氧气阀。继续将样品支架转移回线性转移室。使用线性传输控制软件，将样品移回调节室。隔离样品，然后打开 E-beam 加热器，将样品退火，温度设置为 573 开尔文。设置样本进行分析后，测量概览频谱。将样品移回用于高分辨率 X 射线光电子光谱的腔室。该光谱能够监控 Uo2 薄膜的质量。接下来，获取金-4 F核心级频谱。继续获取铀-4 F光谱。此外，通过将这些参数更改为所述值，获得氧气 1 秒光谱。在软件中使用这些参数值获得价带频谱。从线性轨道，将样品移动到原子源室，通过激活氧气和氢气，原子源室可用于氧化和还原。一旦它在那里，分离样品的位置，并在573开尔文加热5分钟。等待后，打开氧气阀并设置部分压力。打开原子源，将电流设置为 30 毫安培。在关闭源并关闭氧气阀之前，请等待 20 分钟才能实现完全氧化。通过线性翻译室将样品返回 X 射线光电光谱室。一旦样品在XPS腔室中分离，获得铀-4F氧-1 S和价带光谱一样。如果还原时间过短，光谱将具有不完全氧化的特性。特别注意铀-4 F和价带光谱的峰值结构。从样品开始，在原子源室中隔离。打开氢气阀，设置部分压力。启动原子源，然后打开它，将电流设置为 30 毫安培。减少时间 60 秒后，关闭原子源。对于最后的步骤，将样品返回 X 射线光子测量室。分析样品，通过获取铀-4F、氧-1 S和价带光谱来描述还原。与这些图一样，光谱将揭示还原时间是否过长，而 U2O5 已减少到 Uo2。这些铀为铀4-F核心级X射线光射光谱，用于铀4和Uo2、铀5和U2O5以及铀6和Uo3。铀金属的光谱是比较的。数据来自大约20个单层胶片。铀5号卫星的能量使得氧化状态很容易被识别出来。在这个图中，光谱有他们的铀-4F五半主线峰转移，以重合。卫星相对于峰值的相对位置对于每种氧化状态是不同的。这种不同提供了铀氧化状态的另一个标识符。这种分析只有在高分辨率光谱中才有可能，因为卫星峰值强度低，与主峰的结合能量差异很小。生产 U2O5 薄膜是可能的，但是，如果没有高分辨率光谱，停止其精确成分的还原过程可能具有挑战性，甚至难以观察。因此，这是一个新的化合物，将有大量的属性进行调查。我们将开始使用放牧角X射线衍射来研究结构特性。然后，我们将进入该化合物的磁性特性的状态，一些电气传输特性，我们将利用现有的技术（如同步加速器光源，如弹性X射线散射）来补充电子结构调查。研究这种相当不寻常的氧化状态的物理化学性质。实验数据可与理论预测进行比较。这样，我们的实验作为理论模型的基准。

Research

JoVE Journal

Chemistry

U2O5 Film Preparation via UO2 Deposition by Direct Current Sputtering and Successive Oxidation and Reduction with Atomic Oxygen and Atomic Hydrogen

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