金屬鈰和鈾單晶薄膜的制備及電子特性的研究.pdf

1、鈾及鈾合金是核武器及核能應(yīng)用中廣泛使用的材料，其電子結(jié)構(gòu)及物理化學(xué)性質(zhì)一直是研究的熱點，但是由于金屬鈾材料具有一定的放射性及較強的化學(xué)活性，使得相關(guān)的研究工作開展有一定難度。尤其對于5f電子特性的研究，長期以來由于缺少高質(zhì)量的單晶樣品，使得關(guān)于其價帶尤其是能帶結(jié)構(gòu)的研究較難開展，在國內(nèi)這方面的研究至今還是空白。本項目首先通過金屬钚的模擬材料金屬鈰單晶薄膜的生長摸索出活性單質(zhì)金屬單晶薄膜的生長條件及參數(shù)，而后進行金屬鈾單晶薄膜的生長及其表

2、面形貌和電子結(jié)構(gòu)的研究，在此基礎(chǔ)上同時開展了UO2-x單晶薄膜的制備和表征工作，并嘗試在Si(111)-7×7基底上通過構(gòu)造緩沖層和修飾層的方法來制備單晶薄膜。本論文工作主要分為以下四個部分:
　　1)在w(110)表面進行鈰薄膜的沉積，利用掃描隧道顯微鏡(STM)，低能電子衍射(LEED)，X射線光電子能譜儀(XPS)和角分辨光電子能譜儀(ARPES)研究了沉積薄膜的表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、價帶譜及能帶結(jié)構(gòu)。STM結(jié)果表明

3、新鮮的鈰薄膜表面有序和無序區(qū)域均存在，膜面上還存在一些三角形和六角形的孔洞結(jié)構(gòu);當(dāng)在600 K退火10 min后，LEED衍射斑點變得明銳，孔洞消失，出現(xiàn)了較為平整的三角和六角形狀的臺面。氧化后再進行退火的表面觀察到重構(gòu)的存在，重構(gòu)周期為11.2(A)×12.67(A)。XPS結(jié)果表明氧化后的薄膜為非標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)計量比的Ce2O3-x結(jié)構(gòu)。價帶譜中位于EF附近的峰即使在氧化后依然存在，表明體系中仍存在金屬鈰，退火后薄膜的Ce4f和O2p能帶

4、的色散均變得更為明顯。
　　2)在干凈有序的W(110)基底上沉積金屬鈾薄膜，在沉積過程中，薄膜為層狀生長方式。通過在超高真空條件下(優(yōu)于5×10-10 mbar)對薄膜進行退火的方法，獲得了具有較高擇優(yōu)取向的金屬鈾單晶薄膜，LEED出現(xiàn)非常明銳的衍射斑點。利用STM對單晶薄膜的表面形貌進行了研究，樣品表面呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的單晶樣品臺階狀分布，臺面平整。利用ARPES獲得了單晶鈾薄膜的價帶譜和能帶結(jié)構(gòu)，UPS結(jié)果表明薄膜在費米面附近有非

5、常高的態(tài)密度，在結(jié)合能為1-3 eV之間存在較強的5f與6d電子的雜化。為了確定生長出的鈾單晶薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，通過DFT方法對α-U和hcp-U的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)進行計算，結(jié)果表明單晶鈾薄膜的能帶結(jié)構(gòu)更接近于α-U能帶結(jié)構(gòu)的結(jié)果，而與hcp-U的結(jié)果則相差較大。
　　3)新鮮的鈾薄膜在5×10-8 mbar條件下吸附兩小時的O2之后膜面上出現(xiàn)很多的顆粒狀納米結(jié)構(gòu)，顆粒物的平均尺寸大約為2nm左右。在1080 K退火10 min后，

6、薄膜表面存在兩種明顯的表面形貌，一種表現(xiàn)為臺面非常平整，而在臺階處則聚集了非常多的點狀物;另一種則表現(xiàn)為臺面和臺階處均分布著一些點狀物。繼續(xù)在1080 K退火1h后，膜層表面呈現(xiàn)臺階狀分布，臺面較為平整，為典型的單晶體的形貌特征，整個膜面均一、連續(xù)，但膜面上出現(xiàn)了一些由于點陣不匹配引起的平行條紋，在此階段LEED出現(xiàn)了明顯的衍射斑點，生成了UO2-x晶體相，通過STM和ARPES獲得了該新相的dI/dV譜、價帶譜和能帶結(jié)構(gòu)，價帶譜與dI

7、/dV譜結(jié)果吻合很好。
　　4)在Si(111)-7×7重構(gòu)表面沉積了3個原子單層(ML)的鈾薄膜，利用STM研究了經(jīng)過不同溫度退火后薄膜表面形貌的變化，利用反射高能電子衍射(RHEED)和LEED獲得了隨著溫度變化所生成的新相的晶體結(jié)構(gòu)，利用ARPES獲得了經(jīng)過不同溫度處理后薄膜的價帶譜和能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)退火至870K，生成了有序的USi1.67晶體相;對薄膜進行更高溫度1000K的退火后觀察到了一種新的U-Si超結(jié)構(gòu);隨著退火溫度