We report here the surface behavior of zirconium oxide deposited on Si(100) substrate depending on the different substrate temperatures. The zirconium oxide thin films were successfully deposited on the Si(100) surfaces applying radio-frequency (RF) magnetron sputtering process. The obtained zirconium oxide films were characterized by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for study about the chemical environment of the elements, X-ray diffraction (XRD) for check the crystallinity of the films, spectroscopic ellipsometry (SE) technique for measuring the thickness of the films, and the morphology of the films were investigated by atomic force microscope (AFM). We found that the oxidation states of zirconium were changed from zirconium suboxides ($ZrO_{x,y}$, x,y < 2) (x; higher and y; lower oxidation state of zirconium) to zirconia ($ZrO_2$), and the surface was smoothed as the substrate temperature increased.
본 연구에서는 ESD(Electrostatic spray deposition) 코팅법을 이용하여 지르코늄 산화물을 티타늄에 코팅한 전극을 제조하였다. 전처리과정에서 티타늄 기판의 에칭 방법 효율과 에칭된 티타늄 기판에 지르코늄 산화물 막의 제조 및 전기 화학적 특성에 대하여 연구하였다. 염산 에칭은 티타늄 기판에 가늘고 균일한 홈이 생성된다. 강력한 산화제로 사용되는 오존과 차아염소산을 생성하는 효과적인 금속 산화물 전극의 제작과 물질의 특성에 대해 고찰하였고 참고문헌을 통해 지그코늄 산화물에 초점을 맞추었다. 지르코늄 산화물 전극의 제작의 재현성을 향상시키기 위한 코팅 방법으로 지르코늄 옥시클로라이드의 ESD 코팅법을 사용하였다. 티타늄 기판 위에 지르코늄 산화물 막의 형성에 대한 테스트로 SEM, XRD, Cyclic voltammery를 수행하였다.
Zirconium oxide thin films deposited on the p-type Si(100) substrates by radio-frequency (RF) reactive magnetron sputtering with different plasma gas ratios have been studied by using spectroscopic ellipsometry (SE), atomic force microscopy (AFM), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The deposition of the films was monitored by the oxygen gas ratio which has been increased from 0 to 80%. We found that the thickness and roughness of the zirconium oxide thin films are relatively constant. The XRD revealed that the deposited thin films have polycrystalline phases, Zr(101) and monoclinic $ZrO_2$ ($\bar{1}31$). The XPS result showed that the oxidation states of zirconium suboxides were changed to zirconia form with increasing $O_2$ gas ratio.
Kim, Taeho;Choi, Kyoung Joon;Yoo, Seung Chang;Lee, Yunju;Kim, Ji Hyun
방사성폐기물학회지
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제20권2호
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pp.161-170
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2022
The effect of oxidation time on the characteristics and mechanical properties of spent nuclear fuel cladding was investigated using Raman spectroscopy, tube rupture test, and tensile test. As oxidation time increased, the Raman peak associated with the tetragonal zirconium oxide phase diminished and merged with the Raman peak associated with the monoclinic zirconium oxide phase near 333 cm-1. Additionally, the other tetragonal zirconium oxide phase peak at 380 cm-1 decreased after 100 d of oxidation, whereas the zirconium monoclinic oxide peak became the dominant peak. The oxidation time had no effect on the tube rupture pressure of the oxidized zirconium alloy tube. However, the yield and tensile stresses of the oxidized nuclear fuel cladding tube decreased after 100 d of oxidation. The results of the scanning electron microscopy and transmission electron microscopy were represented with the in-situ Raman analysis result for the oxide characteristics generated on the cladding of spent nuclear fuel.
IL-KYU PARK;SANG-SEOK LEE;YONG KYOON MOK;CHAN-WOO JEON;HYUN-GIL KIM
Archives of Metallurgy and Materials
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제65권3호
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pp.1063-1067
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2020
Dynamic charge carrier transport behavior in the zirconium (Zr) oxide was investigated based on the frequency-dependent capacitance-voltage (C-V) and temperature-dependent current-voltage (I-V) measurements. The Zr oxide was formed on the ZIRLO and newly developed zirconium-based alloy (NDZ) by corrosion in the PWR-simulated loop at 360℃. The corrosion test for 90 days showed that the NDZ exhibits better corrosion resistance than ZIRLO alloy. Based on the C-V measurement, dielectric constant values for the Zr oxide was estimated to be 11.28 and 11.52 for the ZIRLO and NDZ. The capacitance difference between low and high frequency was larger in the ZIRLO than in the NDZ, which was attributed to more mobile electrical charge carriers in the oxide layer on the ZIRLO alloy. The current through the oxide layers on the ZIRLO increased more drastically with increasing temperature than on the NDZ, which indicating that more charge trap sites exist in the ZIRLO than in NDZ. Based on the dynamic charge carrier transport behavior, it was concluded that the electrical charge carrier transport within the oxide layers was closely related with the corrosion behavior of the Zr alloys.
A study on the effects of oxide growth on the mechanical properties degradation of pure zirconium and Zircaloy-4 is carried out with high temperature tensile tests. It is found that the mechanical properties can deteriorate with the oxide growth less than $1\%$ of total specimen cross section, especially at $300\~400^{\circ}C$ that is zirconium alloy cladding temperature during the nuclear reactor operation. It is also revealed that Young's modulus changes little but yield strength and tensile strength drop down to $20\% and 40\%$ of the room temperature strength, respectively, in the temperature range. Fractographic analysis shows that the number of dimples decreases and fractured surface becomes smooth with increasing oxide thickness.
Background: The chemical characterization of metallic alloys and oxides is conventionally carried out by wet chemical analytical methods and/or instrumental methods. Instrumental neutron activation analysis (INAA) is capable of analyzing samples nondestructively. As a part of a chemical quality control exercise, Zircaloys 2 and 4, nimonic alloy, and zirconium oxide samples were analyzed by two INAA methods. The samples of alloys and oxides were also analyzed by inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) and direct current Arc OES methods, respectively, for quality assurance purposes. The samples are important in various fields including nuclear technology. Methods: Samples were neutron irradiated using nuclear reactors, and the radioactive assay was carried out using high-resolution gamma-ray spectrometry. Major to trace mass fractions were determined using both relative and internal monostandard (IM) NAA methods as well as OES methods. Results: In the case of alloys, compositional analyses as well as concentrations of some trace elements were determined, whereas in the case of zirconium oxides, six trace elements were determined. For method validation, British Chemical Standard (BCS)-certified reference material 310/1 (a nimonic alloy) was analyzed using both relative INAA and IM-NAA methods. Conclusion: The results showed that IM-NAA and relative INAA methods can be used for nondestructive chemical quality control of alloys and oxide samples.
Mechanical properties of zirconium cladding were evaluated by ring tension test to simulate Reactivity-Initiated Accident (RIA) at high burnup situation as an out-reactor test. Zircaloy-4 cladding was hydrided up to 1000 ppm as well as oxidized up to $100\;{\mu}m$ to simulate high-burnup situation. After simulated high-burnup treatment, ring tension test was carried out from 0.01 to 1/sec to correlate with actual RIA event. The results showed that ductility and circumferential toughness decreased with the hydrogen content and oxide thickness. Hydride generated inside cladding acted as brittle failure. Oxygen influenced cladding tube by the reduction of load bearing area, oxygen embrittlement, and thermal aging. Correlation between in-reactor RIA parameter like fuel enthalpy and out-reactor toughness was performed and showed a reasonable result.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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