Molecular plating of thin lanthanide layers with improved material properties for nuclear applications

In der vorliegenden Arbeit werden Experimente beschrieben, die zu einem vertieften Verst��ndnis fundamentaler Prozesse bei der elektrochemischen Herstellung von D��nnschichten, sog. Targets, f��r kernphysikalische und -chemische Studien f��hrten. Targets wurden mittels 'Molecular Plating' (MP) hergestellt, indem eine Elektrodeposition aus organischem Medium in der Regel bei konstantem Strom in Zwei-Elektroden-Zellen. Die Resultate erlaubten, optimierte Herstellungs-bedingungen zu ermitteln, welche die Produktion deutlich verbesserter Targets erlaubten. MP bei konstantem Strom ist ein massentransportkontrollierter Prozess. Der angelegte Strom wird durch einen konstanten Fluss elektroaktiver Spezies zur Kathode ��� auf der die Schicht w��chst ��� und Anode aufrechterhalten. Die Untersuchungen zeigten, dass das Zellenpotential des Elektrodepositionsystems immer durch den Ohm'schen Spannungsabfall auf Grund des Widerstandes der verwendeten L��sung dominiert wurde. Dies erlaubte die Herleitung einer Beziehung zwischen dem Zellenpotential und der Konzentration der elektroaktiven Spezies. Die Beziehung erlaubt die Erkl��rung des gemessenen zeitlichen Verlaufs des Zellenpotentials w��hrend der Abscheidung als Funktion der Elektrolytkonzentration. Dies dient als Basis, auf der nun ein umfassenderes Bild der Prozesse, die f��r die charakteristischen Minima im Potentialverlauf einer Abscheidung verantwortlich sind, gewonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass die Minima mit der fast vollst��ndigen Entfernung (durch Abscheidung) der aus einem gel��sten Salz erzeugten Nd-Ionen korrespondieren. Die abgeschiedene Spezies wurde als Nd3+ identifiziert, vermutlich als Carboxylat, Oxid oder Hydroxid, was auf Grund der hohen negative Werte des Standardredoxpotentials der Lanthanide verst��ndlich erscheint. Von den vorliegenden elektroaktiven Spezies tragen die Nd3+ Ionen nur zu knapp 20% zum Gesamtstrom bei. Durch Elektrolyse tragen auch die L��sungsmittelkomponenten zu diese Strom bei. Die Gegenwart von elektrolysiertem L��sungsmittel wurde in Analysen der D��nnschichten best��tigt. Diese waren immer mit chemi- und physisorbierten L��sungsmittelmolek��len bedeckt. Die Analyse der D��nnschichten zeigte, dass die Oberfl��chen von einem furchenartiges Netz durchzogen waren, und dass diese w��hrend des Trocknen der Schichten nach dem MP entstanden. Ob die Schichten an Luft oder in inerter Atmosph��re trockneten, hatte keinen Einfluss. Es wurden Experimente mit mehreren L��sungsmitteln durchgef��hrt, die sich deutlich in ihren physikalischen Eigenschaften, v.a. dem Siedepunkt, unterschieden. Furchenfreie D��nnschichten konnten insbesondere bei MP in N,N-dimethylformamide (DMF) erzeugt werden. Die Verwendung von DMF in Kombination mit einer Abscheidung auf sehr glatten Substraten erlaubte die Produktion von sehr homogenen, glatten und defektfreien Schichten. Diese waren vermutlich geringeren inneren Spannungen w��hrend des Trocknens ausgesetzt, als Schichten auf raueren Substraten oder solche, die aus fl��chtigeren L��sungsmitteln hergestellt wurden. Die Oberfl��chenrauigkeit des Substrats und das gew��hlte L��sungsmittel wurden so als Schl��sselfaktoren f��r die Produktion hochqualitativer Schichten identifiziert. Es konnte gezeigt werden, dass mit MP eine sehr effiziente Methode zur Herstellung homogener Schichten mit exzellenter Ausbeute ist. In weiteren Experimenten mit dem primordialen Alpha-Emitter 147Sm als Modellisotop wurde die Eignung solcher Schichten als Alpha-Quelle untersucht. Sowohl die Energieaufl��sung als auch der Anteil der Alpha-Teilchen, die den Detektor erreichten, waren von den Quelleneigenschaften abh��ngig. Die Effekte wurden verschiedenen Variablen der D��nnschicht zugeordnet, welche die Alpha-Spektren beeinflussten. Dominant war die Wahl des L��sungsmittels und die Rauigkeit des Substrats. Dies beeinflusste Schichtdicke und -morphologie sowie die Art des Schichtwachstums und ver��nderte die Detektionseffizienz in Alpha-Messungen bis zu 15%. Nur homogene, ebene Schichten, die aus DMF auf glatten Substraten abgeschieden wurden, eignen sich optimal als Alpha-Quelle. Die gewonnenen Ergebnisse erlauben die optimierte Herstellung nuklearer Targets durch MP. K��nftige Anwendungen beinhalten insbesondere die Herstellung von Targets f��r neutroneninduzierte Spaltexperimente und untergrundarme���Alpha-Messungen sehr kleiner Aktivit��ten.