二氮化铀物理性能及电子结构研究

Uranium nitrides are advanced materials for the non-oxide nuclear fuel considered as a promising candidate for the use of Generation-IV fast nuclear reactors, which are members of a class of strongly correlated materials and are of both fundamental and applied interest. UN2 is one of the typical uranium nitrides, and more researches are focused on it because of the same space group and different crystal structure compared to UN. However, their physical and chemical complexity make them more challenging to understand their basic properties due to the high temperature during UN2 preparation and the lack of film-like or bulk sample, therefore, both experimental and theoretical researches are necessary for further understanding of their unknown properties. Taking the advantages of the plasma technology, which can realize the formation of UN2 in a more mild condition than that in conventional thermal chemical reactions, we plan to prepare uranium nitride samples by glow-discharge plasma nitriding method in this project , and the crystal structure and surface composition is indentified by XRD and XPS, respectively. Furthermore, the electric and transportation properties are measured by PPMS. A systematic study of the structural, electronic properties of UN2 is performed based on the fully relativistic approximation, and the relationship between electronic structure and macroscopic properties will be established for further understanding of this complex system.

铀氮化物在先进核燃料中具有潜在应用，同时也是非常重要的强关联电子体系。UN2是典型的铀氮化物之一，因其与UN具有相同的空间群和不同的晶体结构而备受关注。但是UN2试样的高温制备以及薄膜或块状UN2试样制备能力的不足，制约了人们对其特性的认识。现有的研究结果就UN2的基础性质认识仍存在很大争议，如导电特性、电子结构等，因此有必要开展UN2的相关理论和实验研究。等离子体技术能克服传统实验方法缺陷，可在温和条件下可实现传统热化学反应体系所不能实现的反应；因此，本项目拟采用辉光等离子体氮化技术获得二氮化铀UN2薄膜，分别采用各种分析技术获得铀氮化物的晶体结构、表面组分、电子结构、价带相关信息，以及电学、磁学等输运性质；利用全相对论近似方法，建立相应理论模型，获得铀氮化物电子结构以及能带结构等相关信息，并对实验结果进行合理解释。

铀氮化物是一系列重要的核燃料，同时，由于其良好的耐环境腐蚀性能在金属铀及其合金的表面镀层应用方面具有潜在的应用前景。典型的铀氮化物主要有UN，U2N3以及UN2。目前，大量的研究工作集中于UN，相比而言，铀高氮化物受到的关注较少。其中，UN2(-x)(x<0.5)因样品制备及获取难度限制了人们对该体系的深入认识及应用。已有的铀氮化物分解动力学研究发现：高化学计量比的铀氮化物可以在更低的温度下合成，且对实验条件范围内的氧环境具有较高的稳定性。即是说，高铀氮化物较低铀氮化物可能具有更低的合成温度和更好的表面抗腐蚀性，而现有的研究报道无法满足全面了解和应用UN2(-x)(x<0.5)体系的需要。. 本项目采用磁控溅射和等离子体氮化的方式，在不同的衬底上获得了不同氮含量的铀氮化物UNx，其中，UN2-x(x<0.5)的铀氮化物的成功获取为本项目研究奠定了良好的基础。采用多种分析手段，获得了铀氮化物的物相、磁学、分子振动、芯电子能级及价带谱信息等，一方面获得氮含量对铀-氮体系的物理性能及电子结构的影响，另一方面，通过原位反应的方式，观测其表面化学腐蚀行为。随着氮含量的增加，铀氮化物的金属性逐渐减弱；其磁学性质也发生明显的变化，UN具有典型的反铁磁特性，而高氮铀氮化物具有顺磁特性；在室温、氧气环境下，UN氧化生成UO2，而高氮铀氮化物氧化生成U-N-O三元化合物，且不同反应阶段U-N-O三元化合物中N、O含量各不相同，且具有唯一与之相对应的稳定的晶体结构和电子结构。高氮铀氮化物在室温条件下的最终氧化产物为铀的高价氧化物，如U4O9、UO3等，相比而言，高氮铀氮化物较UN具有更好地抗腐蚀特性。. 铀氮化物的应用，尤其是高氮铀氮化物，必须建立在对其物理化学性能的充分了解和认识的基础之上。本项目通过制备、表征、分析、考核等方式，获得了铀氮化物物理及化学性质的进一步认识，为后续铀氮化物在核燃料及抗腐蚀方面等应用提供有利的基础支撑。