[論文レビュー] Optical properties of silicon carbide for astrophysical applications I. New laboratory infrared reflectance spectra and optical constants

K. M. Pitman, A. M. Hofmeister+2 more|ArXiv.org|Mar 10, 2008

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 70被引用数 49

ひとこと要約

本論文は、単結晶を用いた高分解能反射分光法を用いて、立方晶（β-SiC）および六方晶（α-SiC）炭化ケイ素の新たな実験的光学定数を提示する。β-SiCとE⊥c α-SiCはほぼ同一の光学関数を示すが、E‖c α-SiCはTOモードが赤方偏移している。新しい定数は、低分解能データに起因する過去の誤りを解消し、天体的ダスト粒子のサイズおよび形状分布の正確な放射線輸送モデリングを可能にする。

ABSTRACT

Silicon Carbide (SiC) optical constants are fundamental inputs for radiative transfer models of astrophysical dust environments. However, previously published values contain errors and do not adequately represent the bulk physical properties of the cubic (beta) SiC polytype usually found around carbon stars. We provide new, uncompromised optical constants for beta- and alpha-SiC derived from single-crystal reflectance spectra and investigate quantitatively whether there is any difference between alpha- and beta-SiC that can be seen in infrared spectra and optical functions. Previous optical constants for SiC do not reflect the true bulk properties, and they are only valid for a narrow grain size range. The new optical constants presented here will allow narrow constraints to be placed on the grain size and shape distribution that dominate in astrophysical environments. In addition, our calculated absorption coefficients are much higher than laboratory measurements, which has an impact on the use of previous data to constrain abundances of these dust grains.

研究の動機と目的

• 天体的ダスト環境に関連するβ-SiCおよびα-SiCの正確で高分解能の光学定数を提供すること。
• 低分解能または粉末を用いた測定から得られた過去の光学定数に起因する系統的誤差を是正すること。
• 特に偏光反射分光法を用いた場合に、α-SiCとβ-SiCの多型間に光学関数の差が生じるかどうかを特定すること。
• SiCスペクトルの12.5–13.0 μm付近の弱い吸収特徴が実在のものであるか、またはアーチファクトであるか、モデリングに別個のフォノンモードを必要とするかを評価すること。
• サイズおよび形状に依存しないn(λ)およびk(λ)値を提供することで、周囲星および銀河間ダストのより信頼性の高い放射線輸送モデリングを可能にすること。

提案手法

• 室温下で3C（β-SiC）および6H（α-SiC）単結晶試料の中赤外および遠赤外スペクトラル反射分光法を測定した。
• アノード方向（E⊥c）およびエピタクシャル方向（E‖c）の両方で6H-SiCの偏光反射分光法データを取得し、異方性を評価した。
• 古典的分散解析を用いて反射分光スペクトルにフィットし、複素屈折率n(λ) + ik(λ)を導出した。
• ピークパラメータ（ν, FWHM, f）をフィットから得た1個または3個のフォノンモデルを用いて誘電関数をフィットした。
• ラマン分光法との照合および不純物および層構造の影響がスペクトル特徴に与える影響を評価した。
• 放射線輸送コードでの利用を想定し、0.05–2000 μmの波長範囲でn(λ)およびk(λ)の電子的表を生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 β-SiCおよびα-SiCの赤外域における光学関数は、特に偏光配置において顕著に異なるか？
• RQ2 SiCスペクトルの12.5–13.0 μm付近の弱い吸収特徴は実在のものか、アーチファクトか。モデリングに別個のフォノンモードを必要とするか？
• RQ3 過去のSiC光学定数は、機器の分解能不足に起因する系統的誤差および体積的性質の誤解釈をどれほど抱えているか？
• RQ4 新しい光学定数は、天体的ダストモデルにおける粒子サイズおよび形状分布の制約をどのように改善できるか？
• RQ5 不純物および結晶積層欠陥は、α-SiCの反射分光スペクトルおよび導出された光学関数にどのように影響を与えるか？

主な発見

• β-SiCおよびE⊥c α-SiCのTOフォノンモードのピーク位置は797.5 cm⁻¹であり、FWHMは4.0–6.0 cm⁻¹、フォノン強度f = 3.5で、ラマン測定と一致する。
• 6H-α-SiCのE‖c配置では、E⊥cと比較してTOモードが周波数が低くなる（赤方偏移）ことが示され、光学的応答の異方性が確認された。
• 純粋なSiCには1フォノンモデルが最も適切にフィットするが、不純物または層構造を有する試料では、特にE‖c α-SiCにおいては3フォノンモデルが必要となる。
• 新しい光学定数は、過去の赤外分析における4 cm⁻¹の系統的誤差（古い機器の分解能不足に起因）を是正した。
• 計算された吸収係数は、実験的測定値よりも顕著に高く、ピーク周辺周波数で1 μm以上の粒子サイズのSiC粒子はほぼ不透明であると示唆している。
• 新しいn(λ)およびk(λ)値は粒子サイズに依存せず、MRN、KMHなど広い粒子サイズ分布を有する放射線輸送モデルへの応用に適している。