[論文レビュー] Effect of gamma irradiation on the structure and valence state of Nd in phosphate glass

V. Matolı x n, B. N. Raja Sekhar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Glass properties and applications参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、FTIRおよびXPSを用いて構造的および酸化状態の変化を分析することで、ガンマ線放射がネオジミウムドープホスフェートガラスに与える影響を調査した。ガンマ線放射によりP-O-P結合が切断され、架橋酸素が減少し、酸素濃度が低下し、Nd³⁺が一部還元されてNd²⁺に変化することが確認された。これは非対称なNd 3d5/2ピークとO 1sスペクトルの変化によって裏付けられた。

ABSTRACT

Fourier transform infrared (FTIR) spectra and X-ray photoelectron spectra (XPS) of Nd doped phosphate glasses have been studied before and after gamma irradiation in order to find the behavior of chemical bonds, which decide the structural changes in the glass samples. IR absorption spectra of these glasses are found dominated mainly by the characteristics phosphate groups, water (OH) present in the glass network as well as on the composition of glass matrix. The effects of gamma irradiation are observed in the form of bond breaking and possible re-arrangement of the bonding in the glass. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and XPS measurements show changes in the relative concentration of elements; particularly decrease in the concentration of oxygen in the glass samples after gamma irradiation, a possible source of oxygen vacancies. The decrease in the asymmetry in O 1s spectra after gamma irradiation indicates towards decrease in the concentration of bridging oxygen as a result of P-O-P bond breaking. Asymmetric profile of Nd 3d5/2peak after gamma irradiation is found to be due to conversion of Nd3+ to Nd2+ in the glass matrix.

研究の動機と目的

• ガンマ線放射がネオジミウムドープホスフェートガラスの局所構造にどのように影響を与えるかを理解すること。
• 放射線下での化学結合の変化、特にP-O-PおよびO-H基の変化を調査すること。
• 放射線照射後のNdの酸化状態の遷移、すなわちNd³⁺からNd²⁺への変化を特定すること。
• 酸素バケーションの形成を、酸素濃度の変化およびO 1sスペクトルの変化を通じて分析すること。
• XPSおよびEDXを用いて、構造的変更と電子的・化学的状態の変化の相関関係を分析すること。

提案手法

• ガンマ線放射前後におけるホスフェート基、OH、ネットワーク修飾体の振動モードを分析するためのFTIRスペクトルの取得。
• X線光電子分光法（XPS）を用いて、Nd、P、O元素の化学的状態の変化を検討すること。
• O 1sおよびNd 3d5/2ピークの形状の定量的分析により、酸素不足およびNd酸化状態のシフトを示す非対称性の変化を検出すること。
• EDX測定を用いて、特に放射線照射後の酸素濃度低下を含む相対的元素濃度変化を評価すること。
• 放射線照射前後におけるスペクトルの比較により、結合の切断（例：P-O-P）および構造的再配列を特定すること。
• XPSスペクトルのピークデコンボリューション技術を応用し、異なる酸素種およびNd酸化状態の寄与を分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガンマ線放射は、ネオジミウムドープガラス中のホスフェート基の振動モードおよび結合環境にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ガンマ線放射後、特に架橋酸素と非架橋酸素の酸素種分布にどのような変化が生じるか？
• RQ3 ガンマ線放射は、ホスフェートガラスマトリックス内でのNd³⁺の還元をどの程度引き起こすか？
• RQ4 酸素バケーションの形成は、放射線照射後の観察された構造的および電子的変化に果たす役割は何か？
• RQ5 EDXおよびXPSで測定された結果、ガンマ線放射後、酸素およびネオジミウムの相対濃度はどのように変化するか？

主な発見

• ガンマ線放射により、ホスフェートネットワーク内の結合が顕著に切断され、主にP-O-P結合の切断が進行する。
• 放射線照射後のO 1s XPSスペクトルにおける非対称性の低下は、架橋酸素濃度の低下を示している。
• EDXおよびXPSによる確認により、ガラスマトリックス内の酸素濃度が放射線照射後に低下しており、酸素バケーションの形成が示唆される。
• 放射線照射後のXPSにおけるNd 3d5/2ピークの非対称的形状は、Nd³⁺が部分的にNd²⁺に還元された直接的証拠を示している。
• OH基の存在およびそれらがガラスネットワークと相互作用する状態が、IR吸収帯の変化によって変化していることが示された。
• 放射線照射後に構造的再配列が生じ、結合切断および欠陥形成に起因するネットワーク再配列の証拠が得られた。