[論文レビュー] Nature of Structural Transformations in the B2O3 Glass under High Pressure

V. V. Brazhkin, Yoshiaki Katayama+8 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2008

High-pressure geophysics and materials参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、X線回折、体積測定、および第一原理シミュレーションを用いて、250 GPaまで圧力下でのB2O3ガラスの構造的進化を調査した。2つの広範で重なり合う遷移が明らかになった。1つ目は1 GPa未満の圧力で起こり、ボロンの配位数に変化がない。2つ目は5 GPaを超える圧力で発生し、ボロンの配位数が徐々に4に増加する。2番目の遷移は完全に可逆的であり、1番目の遷移との関連で部分的な不可逆性が観察された。また、極端な圧力下では5-および6-配位のボロンを有する超高密度相が予測された。

ABSTRACT

We report the results of the X-ray diffraction study of B2O3 glass in the pressure interval up to 10 GPa in the 300-700 K temperature range, the results of in-situ volumetric measurements of the glass at pressures up to 9 GPa at room temperature, and first-principles simulations data at pressures up to 250GPa. The behavior of B2O3 glass under pressure can be described as two broad pressure-overlapping transitions. The first transition starts at P > 1 GPa and proceeds without any changes in thecoordination number of the boron atoms; the other one starts at P > 5 GPa and is accompanied by a gradual increase of coordination number. The second transition is completely reversible; the residual densification of the B2O3 glass after decompression is associated with the incomplete reversibility of the first transformation. The fraction of boron atoms transferred to the 4-coordination state in the glass at P < 10 GPa is much smaller than was assumed from indirect experimental data [4], but is considerably larger (by tens of times) than was previously suggested by the classical molecular dynamics simulations [5,6]. The observed transformations under both compression and decompression are quite broad, contrary to the assumption in Ref. [7]. On the basis of ab-initio results, we also predict the one more transformation under higher pressures to a super-dense phase, in which B atoms become 5- and 6-fold coordinated.

研究の動機と目的

• B2O3ガラスが高圧下で示す構造的転移の性質を理解すること。
• ボロンの配位数に関する、間接的実験データと古典的分子動力学的シミュレーションの間に生じる矛盾を解消すること。
• 圧縮と膨張の過程での構造的変化の可逆性を調査すること。
• ab initio シミュレーションを用いて10 GPaを超える高圧相を予測すること。
• B2O3ガラスにおけるボロンの配位状態の圧力依存性を明確にすること。

提案手法

• X線回折測定を300–700 Kおよび10 GPaまで実施し、構造的変化を調査した。
• 室温下でイン・シチュ体積測定を9 GPaまで実施し、圧縮時の密度変化を評価した。
• 第一原理シミュレーションを用いて250 GPaまで構造的挙動をモデル化し、高圧相の予測を可能にした。
• 圧力関数としてボロン原子の配位数を分析し、構造的進化を追跡した。
• 実験データとab initio結果の比較を通じて、観察された遷移の妥当性を検証し、新相の予測を行った。
• 圧縮後の残留密度増加を分析することで、構造的変化の可逆性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 B2O3ガラスが高圧下で示す構造的転移の性質は何か。ボロン原子の配位数変化は圧力とどのように相関するか。
• RQ2 なぜ観察された転移が、文献で想定されていたよりも広範であるのか。
• RQ3 B2O3ガラスの構造的変化は、圧縮解除後にどの程度可逆的か。
• RQ4 B2O3ガラスにおける4配位ボロン原子の割合は、以前の間接的測定値および古典的シミュレーションと比較してどう異なるか。
• RQ5 ab initio シミュレーションにより、10 GPaを超える高圧域で予測される高圧相は何か。

主な発見

• B2O3ガラスの最初の構造的転移は1 GPaを超えると開始され、ボロンの配位数に変化がないことから、共有結合的またはトポロジカルな変化であると示唆される。
• 2番目の転移は5 GPaを超えると開始され、ボロンの配位数が徐々に増加するという特徴があり、連続的な構造再編成を示している。
• 2番目の転移は完全に可逆的であり、圧縮解除後の残留密度増加は、1番目の転移の完全な可逆性に欠けることによるものである。
• 10 GPa未満の圧力域における4配位ボロン原子の割合は、古典的分子動力学的シミュレーションによる推定値よりも顕著に高く、一方で間接的実験データから推定される値よりは低い。
• 観察された転移は広範かつ連続的であり、従来の研究で想定された鋭い、離散的な遷移とは矛盾する。
• ab initio シミュレーションにより、極端な圧力下でボロン原子が5-および6-配位をとる超高密度相が予測された。これは根本的な構造的再編成を示唆している。