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(diǎn)，但是由于金屬鈾材料具有一定的放射性及較強(qiáng)的化學(xué)活性，使得相關(guān)的研究工作開(kāi)展有一定難度。尤其對(duì)于5f電子特性的研究，長(zhǎng)期以來(lái)由于缺少高質(zhì)量的單晶樣品，使得關(guān)于其價(jià)帶尤其是能帶結(jié)構(gòu)的研究較難開(kāi)展，在國(guó)內(nèi)這方面的研究至今還是空白。本項(xiàng)目首先通過(guò)金屬钚的模擬材料金屬鈰單晶薄膜的生長(zhǎng)摸索出活性單質(zhì)金屬單晶薄膜的生長(zhǎng)條件及參數(shù)，而后進(jìn)行金屬鈾單晶薄膜的生長(zhǎng)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(shí)開(kāi)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(guò)構(gòu)造緩沖層和修飾層的方法來(lái)制備單晶薄膜。本論文工作主要分為以下四個(gè)部分:
　　1)在w(110)表面進(jìn)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(xiàn)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(jià)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(wú)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(diǎn)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(tái)面。氧化后再進(jìn)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(jì)量比的Ce2O3-x結(jié)構(gòu)。價(jià)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(guò)程中，薄膜為層狀生長(zhǎng)方式。通過(guò)在超高真空條件下(優(yōu)于5×10-10 mbar)對(duì)薄膜進(jìn)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(diǎn)。利用STM對(duì)單晶薄膜的表面形貌進(jìn)行了研究，樣品表面呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)的單晶樣品臺(tái)階狀分布，臺(tái)面平整。利用ARPES獲得了單晶鈾薄膜的價(jià)帶譜和能帶結(jié)構(gòu)，UPS結(jié)果表明薄膜在費(fèi)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(qiáng)的5f與6d電子的雜化。為了確定生長(zhǎng)出的鈾單晶薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)DFT方法對(duì)α-U和hcp-U的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)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(shí)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(tái)面非常平整，而在臺(tái)階處則聚集了非常多的點(diǎn)狀物;另一種則表現(xiàn)為臺(tái)面和臺(tái)階處均分布著一些點(diǎn)狀物。繼續(xù)在1080 K退火1h后，膜層表面呈現(xiàn)臺(tái)階狀分布，臺(tái)面較為平整，為典型的單晶體的形貌特征，整個(gè)膜面均一、連續(xù)，但膜面上出現(xiàn)了一些由于點(diǎn)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(diǎn)，生成了UO2-x晶體相，通過(guò)STM和ARPES獲得了該新相的dI/dV譜、價(jià)帶譜和能帶結(jié)構(gòu)，價(jià)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(gè)原子單層(ML)的鈾薄膜，利用STM研究了經(jīng)過(guò)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(guò)不同溫度處理后薄膜的價(jià)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(duì)薄膜進(jìn)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