[論文レビュー] Neutron-scattering studies of arsenic sulphide glasses

J. H. Lee, Alex C. Hannon+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2004

Phase-change materials and chalcogenides参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、高分解能の中性子散乱と同位体置換を用いて、As2S3およびAs2S3I1.65ガラスの局所的原子構造を調査した。散乱データの一次差分を分析することで、As2S3においては硫黄-硫黄および砒素-硫黄の相関を同定し、ヨウ素が砒素に優先的に結合することを確認した。各As原子は第一殻で1つのIと2つのS原子と配位していることが判明し、チオゲン化物ガラスにおける重要な構造的詳細が解明された。

ABSTRACT

High-resolution neutron-scattering measurements have been performed on bulk glasses of As2S3 and As2S3I1.65 at a spallation neutron source. For the case of As2S3, an isotopic-substitution experiment involving the S isotope has allowed some of the various pair correlations contributing to the second peak in the radial distribution function to be determined by the method of first differences. For the ternary glass, it has been confirmed that iodine bonds preferentially to As atoms, and that on average each As atom is coordinated to one iodine and two sulphur atoms in the first coordination shell.

研究の動機と目的

• 中性子散乱を用いて、As2S3およびAs2S3I1.65チオゲン化物ガラスの局所的原子構造を特定すること。
• 同位体置換を用いて、As2S3の径方向分布関数の第二ピークに寄与する異なる対相関の寄与を解明すること。
• 三元系As2S3I1.65ガラスにおけるヨウ素の結合環境を調査し、その好ましい配位サイトを同定すること。
• ヨウ素ドーピングされたガラスにおける砒素原子の第一殻配位数を定量すること、特に硫黄およびヨウ素の周囲の原子数を特定すること。
• ハロゲンドーピングを施したチオゲン化物ガラスにおけるネットワーク連結性と局所的秩序に関する正確な構造的知見を提供すること。

提案手法

• バルク状態のAs2S3およびAs2S3I1.65ガラスに対して、スパラレーション中性子源を用いた高分解能の中性子散乱測定を実施した。
• S–S、As–S、As–As対相関の寄与を分離するために、硫黄の同位体置換（32Sから34S）を用いた一次差分法を採用した。
• 散乱データから径方向分布関数を抽出し、原子対相関を分析した。
• 一次差分法により、RDFの第二ピークに寄与するAs–S、S–S、As–As相関の寄与を分離可能となった。
• ヨウ素ドーピングガラスの散乱データを分析し、砒素の配位環境およびヨウ素の好ましい結合サイトを特定した。
• 分析は、砒素原子の第一殻に存在する硫黄およびヨウ素原子の平均数を同定することに焦点を当てた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 As2S3ガラスの径方向分布関数の第二ピークに、As–S、S–S、As–As相関がそれぞれどのように寄与しているか。
• RQ2 ヨウ素はAs2S3ガラスネットワークにどのように取り込まれ、どの原子に優先的に結合するか。
• RQ3 As2S3I1.65ガラスにおける砒素原子の平均的第1殻配位数はいかほどか。
• RQ4 三元系ガラスにおいて、各砒素原子を取り囲む硫黄およびヨウ素原子の平均数はそれぞれいくつか。
• RQ5 硫黄の同位体置換が、中性子散乱データにおける個々の対相関関数の分離をどのように可能にするか。

主な発見

• As2S3ガラスの径方向分布関数の第二ピークは、As–S、S–S、As–As相関の組み合わせに起因し、同位体置換によってそれらの寄与が分離可能となった。
• As2S3I1.65ガラスにおけるヨウ素は、硫黄ではなく砒素に優先的に結合しており、As–I結合の形成が裏付けられた。
• As2S3I1.65ガラスにおいて、各砒素原子は第一殻で平均して1つのヨウ素と2つの硫黄原子と配位している。
• ヨウ素ドーピングガラスにおける砒素の第一殻配位は、四面体的環境に類似しており、1つのヨウ素と2つの硫黄原子が存在する。
• 同位体置換法により、径方向分布関数へのS–SおよびAs–S寄与が明確に分離され、構造的分解能が向上した。
• 本結果は、ハロゲンドーピングを施したチオゲン化物ガラスにおける局所的構造モチーフを直接実験的に裏付け、ネットワーク修正モデルを支持するものである。