Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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2012.08a
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pp.154-155
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2012
The promise of nano-crystalites (nc) as a technological material, for applications including display backplane, and solar cells, may ultimately depend on tailoring their behavior through doping and crystallinity. Impurities can strongly modify electronic and optical properties of bulk and nc semiconductors. Highly doped dopant also effect structural properties (both grain size, crystal fraction) of nc-Si thin film. As discussed in several literatures, P atoms or radicals have the tendency to reside on the surface of nc. The P-radical segregation on the nano-grain surfaces that called self-purification may reduce the possibility of new nucleation because of the five-coordination of P. In addition, the P doping levels of ${\sim}2{\times}10^{21}\;at/cm^3$ is the solubility limitation of P in Si; the solubility of nc thin film should be smaller. Therefore, the non-activated P tends to segregate on the grain boundaries and the surface of nc. These mechanisms could prevent new nucleation on the existing grain surface. Therefore, most researches shown that highly doped nc-thin film by using conventional PECVD deposition system tended to have low crystallinity, where the formation energy of nucleation should be higher than the nc surface in the intrinsic materials. If the deposition technology that can make highly doped and simultaneously highly crystallized nc at low temperature, it can lead processes of next generation flexible devices. Recently, we are developing a novel CVD technology with a neutral particle beam (NPB) source, named as neutral beam assisted CVD (NBaCVD), which controls the energy of incident neutral particles in the range of 1~300eV in order to enhance the atomic activation and crystalline of thin films at low temperatures. During the formation of the nc-/pm-Si thin films by the NBaCVD with various process conditions, NPB energy directly controlled by the reflector bias and effectively increased crystal fraction (~80%) by uniformly distributed nc grains with 3~10 nm size. In the case of phosphorous doped Si thin films, the doping efficiency also increased as increasing the reflector bias (i.e. increasing NPB energy). At 330V of reflector bias, activation energy of the doped nc-Si thin film reduced as low as 0.001 eV. This means dopants are fully occupied as substitutional site, even though the Si thin film has nano-sized grain structure. And activated dopant concentration is recorded as high as up to 1020 #/$cm^3$ at very low process temperature (< $80^{\circ}C$) process without any post annealing. Theoretical solubility for the higher dopant concentration in Si thin film for order of 1020 #/$cm^3$ can be done only high temperature process or post annealing over $650^{\circ}C$. In general, as decreasing the grain size, the dopant binding energy increases as ratio of 1 of diameter of grain and the dopant hardly be activated. The highly doped nc-Si thin film by low-temperature NBaCVD process had smaller average grain size under 10 nm (measured by GIWAXS, GISAXS and TEM analysis), but achieved very higher activation of phosphorous dopant; NB energy sufficiently transports its energy to doping and crystallization even though without supplying additional thermal energy. TEM image shows that incubation layer does not formed between nc-Si film and SiO2 under later and highly crystallized nc-Si film is constructed with uniformly distributed nano-grains in polymorphous tissues. The nucleation should be start at the first layer on the SiO2 later, but it hardly growth to be cone-shaped micro-size grains. The nc-grain evenly embedded pm-Si thin film can be formatted by competition of the nucleation and the crystal growing, which depend on the NPB energies. In the evaluation of the light soaking degradation of photoconductivity, while conventional intrinsic and n-type doped a-Si thin films appeared typical degradation of photoconductivity, all of the nc-Si thin films processed by the NBaCVD show only a few % of degradation of it. From FTIR and RAMAN spectra, the energetic hydrogen NB atoms passivate nano-grain boundaries during the NBaCVD process because of the high diffusivity and chemical potential of hydrogen atoms.
To understand the weathering processes of the soil by submicroscopic method is very important to realize the properties of the soils. In this study soil formation processes show every steps to the changes in chemical and mechanical properties and the submicroscopic characteristics of soil weathering on the profiles of forest soils derived from granite in southern part of Korea. Fecal pellets(SEM) are given a full detail of the positive activities of the forest soil animals; mainly invertebrates in the O horizon and the E horizon. External shapes of fecal pellets have been divided into five groups : spherical, ellipsoidal, cylindrical, platy and threadlike. But doughnutlike form of fecal pellets is observed in this study. The soluble and suspended materials in the soils move downwards by percolation from the A horizon to the B or the BC horizons, and result in the illuviation cutans(SEM) on the ped surface of the lower horizon and deposited stack of kaolinite. Illuviated cutans are deposited on the ped surface even in the depth of 312cm in the BC horizon as well as the Bt horizon and comprise of fine silt, coarse clay and fine clay. A lot of halloysites are observed on the cutan surface. Halloysite formation from feldspars has been well known but a lot of hallyosite formation are observed in this study. The formation were predicted by Jackson(1962), inferred by Wada and Kakuto(1983a, b) and proved evidently by Cho and Mermut(1992a, b). This also suggests that halloysites in the soils derived from granite are formed a lot from ferruginous chlorites. The release of Fe from the chlorite structure are significant pedogenic processes and newly formed Fe oxides imparted a red color to the soils. The iron oxides particles, which are ejected and recrystalized, aggregate thickly on the edge of the ferruginous chlorites, and this indicates the release of structural Fe from weathered chlorites. Hematites and goethites are frequent in the fine clay in this soils.
Structural sites which cations can occupy in garnet structure are centers of the tetrahedron, octahedron, and distorted cube sharing edges with the tetrahedron and octahedron. Among them, the size of cation occuping at tetrahedral site (the center of tetrahedron) is closely related with the size of a unit cell of garnet. Accordingly, garnet containing iron with relative large ionic radii in tetrahedral site can be considered as a promising matrix for the immobilization of the elements with large ionic radii, such as actinides in radioactive wastes. We synthesized several garnets with the batch composition of $Ca_{1.5}GdCe_{0.5}ZrFeFe_3O_{12}$, and studied their properties and phase relations under various conditions. Mixed samples were fabricated in a pellet form under a pressure of $200{\~}400{\cal}kg/{\cal}cm^2$ and were sintered in the temperature range of $1100\~1400^{\circ}C$ in air and under oxygen atmospheres. Phase identification and chemical analysis of synthesized samples were conducted by XRD and SEM/EDS. In results, garnet was obtained as the main phase at $1300^{\circ}C$, an optimum condition in this system, even though some minor phases like perovskite and unknown phase were included. The compositions of garnet and perovskite synthesized from the batch composition of $Ca_{1.5}GdCe_{0.5}ZrFeFe_3O_{12}$ were ranged $[Ca_{l.2-1.8}Gd_{0.9-1.4}Ce_{0.3-0.5}]^{VIII}[Zr_{0.8-1.3}Fe_{0.7-1.2}]^{VI}[Fe_{2.9-3.1}]^{IV}O_{12}$ and $Ca_{0.1-0.5}Gd_{0.0-0.8}Ce_{0.1-0.5}\;Zr_{0.0-0.2}Fe_{0.9-1.1}O_3$, respectively. Ca content was exceeded and Ce content was depleted in the 8-coordinated site, comparing to the initial batch composition. This phenomena was closely related to the content of Zr and Fe in the 6-coordinated site.
Kim, Kyeongtae;Latief, Ilham Abdul;Kim, Danu;Kim, Seonhee;Lee, Minhee
Economic and Environmental Geology
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v.55
no.4
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pp.377-388
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2022
Laboratory-scale experiments were performed to identify the As removal mechanism of the residual slag generated after the mineral carbonation process. The residual slags were manufactured from the steelmaking slag (blast oxygen furnace slag: BOF) through direct and indirect carbonation process. RDBOF (residual BOF after the direct carbonation) and RIBOF (residual BOF after the indirect carbonation) showed different physicochemical-structural characteristics compared with raw BOF such as chemical-mineralogical properties, the pH level of leachate and forming micropores on the surface of the slag. In batch experiment, 0.1 g of residual slag was added to 10 mL of As-solution (initial concentration: 203.6 mg/L) titrated at various pH levels. The RDBOF showed 99.3% of As removal efficiency at initial pH 1, while it sharply decreased with the increase of initial pH. As the initial pH of solution decreased, the dissolution of carbonate minerals covering the surface was accelerated, increasing the exposed area of Fe-oxide and promoting the adsorption of As-oxyanions on the RDBOF surface. Whereas, the As removal efficiency of RIBOF increased with the increase of initial pH levels, and it reached up to 70% at initial pH 10. Considering the PZC (point of zero charge) of the RIBOF (pH 4.5), it was hardly expected that the electrical adsorption of As-oxyanion on surface of the RIBOF at initial pH of 4-10. Nevertheless it was observed that As-oxyanion was linked to the Fe-oxide on the RIBOF surface by the cation bridge effect of divalent cations such as Ca2+, Mn2+, and Fe2+. The surface of RIBOF became stronger negatively charged, the cation bridge effect was more strictly enforced, and more As can be fixed on the RIBOF surface. However, the Ca-products start to precipitate on the surface at pH 10-11 or higher and they even prevent the surface adsorption of As-oxyanion by Fe-oxide. The TCLP test was performed to evaluate the stability of As fixed on the surface of the residual slag after the batch experiment. Results supported that RDBOF and RIBOF firmly fixed As over the wide pH levels, by considering their As desorption rate of less than 2%. From the results of this study, it was proved that both residual slags can be used as an eco-friendly and low-cost As remover with high As removal efficiency and high stability and they also overcome the pH increase in solution, which is the disadvantage of existing steelmaking slag as an As remover.
Yuna Oh;Daehyun Shin;Danu Kim;Soyoung Jeon;Seon-ok Kim;Minhee Lee
Economic and Environmental Geology
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v.56
no.5
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pp.603-618
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2023
This study focused on evaluating the suitability of the WRK (waste repository Korea) bentonite as a buffer material in the SNF (spent nuclear fuel) repository. The U (uranium) adsorption/desorption characteristics and the adsorption mechanisms of the WRK bentonite were presented through various analyses, adsorption/desorption experiments, and kinetic adsorption modeling at various pH conditions. Mineralogical and structural analyses supported that the major mineral of the WRK bentonite is the Ca-montmorillonite having the great possibility for the U adsorption. From results of the U adsorption/desorption experiments (intial U concentration: 1 mg/L) for the WRK bentonite, despite the low ratio of the WRK bentonite/U (2 g/L), high U adsorption efficiency (>74%) and low U desorption rate (<14%) were acquired at pH 5, 6, 10, and 11 in solution, supporting that the WRK bentonite can be used as the buffer material preventing the U migration in the SNF repository. Relatively low U adsorption efficiency (<45%) for the WRK bentonite was acquired at pH 3 and 7 because the U exists as various species in solution depending on pH and thus its U adsorption mechanisms are different due to the U speciation. Based on experimental results and previous studies, the main U adsorption mechanisms of the WRK bentonite were understood in viewpoint of the chemical adsorption. At the acid conditions (<pH 3), the U is apt to adsorb as forms of UO22+, mainly due to the ionic bond with Si-O or Al-O(OH) present on the WRK bentonite rather than the ion exchange with Ca2+ among layers of the WRK bentonite, showing the relatively low U adsorption efficiency. At the alkaline conditions (>pH 7), the U could be adsorbed in the form of anionic U-hydroxy complexes (UO2(OH)3-, UO2(OH)42-, (UO2)3(OH)7-, etc.), mainly by bonding with oxygen (O-) from Si-O or Al-O(OH) on the WRK bentonite or by co-precipitation in the form of hydroxide, showing the high U adsorption. At pH 7, the relatively low U adsorption efficiency (42%) was acquired in this study and it was due to the existence of the U-carbonates in solution, having relatively high solubility than other U species. The U adsorption efficiency of the WRK bentonite can be increased by maintaining a neutral or highly alkaline condition because of the formation of U-hydroxyl complexes rather than the uranyl ion (UO22+) in solution,and by restraining the formation of U-carbonate complexes in solution.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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