[論文レビュー] Luminescence of alpha-quartz

A.N. Trukhin, Kaspars Truhins|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2012

Glass properties and applications参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

このレビューは、30年間にわたるα石英における発光に関する研究を統合し、電離放射線下で2.6–2.7 eVで発光する自己捕捉励起子（STE）と、約0.2の量子収率を示し、放射線誘発の欠陥関連発光に焦点を当てる。主な発見として、AlO4–Me複合体（低温では6 eV、3.4 eV）、Ge関連STE、および貴金属ドーピング（Cuは3.4 eV、Agは4.75 eV）に起因する明著な発光帯が確認され、アルカリイオンから貴金属イオンへの置換によって可逆的であることが判明している。

ABSTRACT

Among the host materials luminescence the luminescence of the self-trapped exciton (STE) is reviewed. This luminescence, which band is situated at 2.6 to 2.7 eV, could be observed mainly under ionising radiation with energetic yield about 0.2. The STE does not participate in pure recombination processes. Host material defect luminescence at 5 eV appears in alpha-quartz after heavy irradiation. It is constituted of permanent defect after neutron irradiation and transient defect after dens electron beam irradiation. This luminescence could be observed well at temperatures below 60 K. All another luminescence are of impurity nature. The Ge impurity luminescence in alpha-quartz explained as STE near Ge. The aluminium and alkali complexes. One of them is with UV band at 6 eV, appears at low temperatures and could be excited only in tunnelling recombination process between pairs (AlO4 Me), where Me is an alkali ion captured an electron and a hole remains on aluminium tetrahedron. Another luminescence with band at 3.4 eV is also luminescence of complexes (AlO4 Me), which behaviour is similar to the luminescence of alkali alumosilicate glass. The third luminescence with band at 3 eV could be observed mainly in natural alpha-quartz, bright at temperatures below 200 K and is interpreted as STE like luminescence at alumosilicate clasters. The exchange of alkali ions to noble ions of copper of silver reduces original luminescence of alumo alkali complexes and luminescence of noble ions appears. The main band of copper related luminescence is at 3.4 eV and that of silver is at 4.75 eV, both could be observed up to 500 K. their nature could be well described in terms of intraions transition. Exchange of noble ions back to alkali ions renews initial luminescence of the samples.

研究の動機と目的

• 30年にわたる研究を体系的にレビューし、α石英の発光特性を明らかにすること。
• 自己捕捉励起子や欠陥関連発光を含む、さまざまな発光帯の起源を特定・特徴づけること。
• Ge、Al、アルカリ金属、Cu、Agなどの不純物が、異なる放射線および温度条件下での発光挙動に果たす役割を明確にすること。
• アルカリイオンから貴金属イオンへの置換とその逆操作によって生じる発光変化の可逆性を説明すること。

提案手法

• 自然および放射線被曝したα石英試料を用いた数十年にわたる発光分光法の実験データの分析。
• 温度依存発光測定を用いて一時的欠陥と恒久的欠陥を区別すること。
• AlO4–Me複合体における励起メカニズムを説明するためのトンネル再結合モデルの適用。
• 合成および天然石英の発光挙動を比較し、固有の発光と不純物由来の発光を特定すること。
• アルカリイオンをCuやAgに置換することで発生する発光変化の可逆性を調査するためのイオン交換実験。
• 発光帯と特定の欠陥構造（例：(AlO4Me)、Ge関連中心、貴金属イオン状態）の相関を明確にすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜα石英において2.6–2.7 eVの発光帯が観察され、それが自己捕捉励起子に関連しているのか？
• RQ2 中性子線および電子線被曝が、α石英における欠陥関連発光にどのように異なる影響を及えるのか？
• RQ3 低温で観察されるAlO4–Me複合体の6 eV発光帯の起源は何か？
• RQ4 CuおよびAgドーピングが、α石英におけるアルミナ-アルカリ複合体の発光にどのように影響を与えるか？
• RQ5 アルカリイオンから貴金属イオンへの置換とその逆操作によって、α石英の発光挙動はどの程度可逆的か？

主な発見

• α石英における自己捕捉励起子（STE）発光は2.6–2.7 eVで発光し、電離放射線下で約0.2の量子収率を示す。
• 重い被曝後、5 eVの欠陥発光帯が出現し、中性子被曝では恒久的欠陥、電子線被曝では一時的欠陥に起因する。60 K未満で観察可能である。
• AlO4–Me複合体における6 eV発光帯はトンネル再結合プロセスに起因し、低温でのみ観測可能である。
• AlO4–Me複合体に由来する3.4 eV発光帯は、アルカリアルミノケイ酸ガラスと類似しており、200 K未満で顕著である。
• 銅ドーピングにより3.4 eVの主要な発光帯が出現し、銀ドーピングでは4.75 eVの帯が観測される。両者とも500 Kまで安定であり、イオン内遷移に起因するとされる。
• アルカリイオンと貴金属イオン（Cu、Ag）の間でのイオン交換により、発光が可逆的に変化する：アルカリイオンをCuまたはAgに置換すると元の複合体発光が消去され、イオンを元に戻すことで初期の発光が回復する。