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铀基体上铝薄膜生长行为和膜基界面反应研究

周韦  
【摘要】:本论文主要利用表面分析技术俄歇电子能谱(AES)较系统的研究了铝薄膜在铀基体上的生长行为特征以及膜基界面反应,并采用密度泛函方法,模拟计算了铝原子在金属铀和UO_2(001)面上的吸附能,对实验结果从理论上进行了合理的解释和推论。主要研究结果有: 1) 室温下,在金属铀表面逐步沉积铝原子的过程中,沉积Al原子与铀原子相互作用,电子从铝原子向铀原子转移,界面扩散行为不明显;铀表面连续沉积铝薄膜时,铀/铝界面作用较逐步沉积时的界面作用强;室温下,金属铀表面的铝薄膜是以岛状方式生长的,且为纳米薄膜。 2) 室温下,在UO_2表面溅射沉积制备铝薄膜过程中,铝与UO_2之间相互作用,电子从铝原子向UO_2中的铀离子转移:UO_2/Al之间的扩散行为较U/Al界面扩散行为明显,铝扩散到UO_2和基体铀的界面处,形成了氧化态铀、金属铀和铝三者共存区;室温下,UO_2表面的铝薄膜是以岛状方式生长的,生长过程中由于扩散行为的影响,导致确定薄膜生长方式的强度变化曲线发生了畸变。 3) 室温下,在相同的氧暴露剂量下,铀/铝界面处的两元素几乎同时氧化,且表面氧化物Al_2O_3、UO_2与基底金属铀之间发生了明显的扩散行为;样品退火以后,铀/铝界面作用增强;在能量60eV处出现新的俄歇峰,经推测认为可能在近铝薄膜表面处生成了金属间化物UAl_x;在铀/铝界面处形成一富碳区,并生成了铀的碳化物,阻止铝向铀基体中扩散,铀/铝界面同样也阻碍了碳向铀表面的偏析。 4) 金属铀和UO_2(001)面吸附铝原子的密度泛函研究表明,铝在U与UO_2表面的吸附表现出强烈的化学吸附行为,与表面铀原子成键形成了金属间化合物;沉积铝原子优先占据表面间隙位。 本论文的研究工作取得了预期的良好的研究成果,为铝薄膜作为金属铀保护性涂层工程应用研究提供了理论和实验依据,具有重要的参考价值。


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