[論文レビュー] Raman micro-spectroscopic map of plastic strain in indented amorphous silica

Antoine Perriot, V. Martínez+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2004

Glass properties and applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、4員環および3員環の振動に起因する密度感受性のD1およびD2欠陥線を用いて、微粒子的空間分解能を有するラマンマイクロ分光法を用い、アモルファスシリカのへこみ部における三次元的プラスチック密度化をマッピングした。この手法により、残留密度化の高分解能・深さ方向定量が可能となり、ガラスのプラスチシティのモデルを精緻化するための重要な実験的データを提供する。

ABSTRACT

Glassy materials are known to exhibit a plastic behavior, in particular in confined geometries. In contrast to metals the plasticity of glasses is characterized by a strong coupling between volumetric and shear strain. We use Raman micro-spectroscopy to estimate the residual densification after indentation in amorphous silica. Using a specific experimental design, the micro-metric resolution of this technique is obtained both at the surface and in-depth. Taking advantage of the high sensitivity to density of the defect lines D1 and D2 associated to vibration modes of three and four-membered silica tetrahedra rings, we obtain a spatially resolved three-dimensional map of indentation induced densification. These local experimental data constitute a guide for a more accurate description of the plastic behavior of silica.

研究の動機と目的

• アモルファスシリカにおけるナノインデンテーションによって誘発される三次元的残留密度化を、実験的にマッピングすること。
• ラマン分光法を用いて、表面および深部の両方で高空間分解能を達成するという課題を克服すること。
• シリカのリング構造における局所的密度変化に感受するD1およびD2ラマンバンドの感受性を活用すること。
• 理論的モデルの検証のため、プラスチック変形に関する定量的かつ空間的に分解能のあるデータを提供すること。
• ガラス状物質における体積ひずみとせん断ひずみの結合を理解するための信頼できる実験的ベンチマークを確立すること。

提案手法

• アモルファスシリカ内の局所的振動モードをプローブするため、集光されたレーザービームを用いたラマンマイクロ分光法を採用する。
• 3員環および4員環のシリカリング振動に関連するD1およびD2欠陥バンドを、局所的密度変化の感受性プローブとして用いる。
• インデンテーション試料の表面および内部領域の両方で高空間分解能を実現する実験設定を設計する。
• 可変角度法または深さプロファイル法を用いて深さ方向に分解能をもたせ、3次元的密度化マップを再構築する。
• シリカにおける構造-性質関係を用いて、ラマンシフトの変化を局所的密度変化にキャリブレーションする。
• D1およびD2バンドの強度および位置に基づき、インデンテーション誘発密度化の空間的に分解能のある3次元マップを作成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラマンマイクロ分光法は、へこみアモルファスシリカの表面およびバルク部において、どのように高空間分解能を達成できるか？
• RQ2 D1およびD2ラマンバンドは、アモルファスシリカにおけるプラスチック変形下で、局所的密度化をどの程度正確に反映するか？
• RQ3 ナノインデンテーション後のアモルファスシリカにおける残留密度化の三次元的分布はいかなるものか？
• RQ4 測定された密度化は、ガラスにおける体積ひずみとせん断ひずみの理論的結合とどの程度相関するか？
• RQ5 実験的ラマンデータは、ガラス状材料におけるプラスチシティモデリングの信頼できるベンチマークとして機能できるか？

主な発見

• D1およびD2ラマンバンドは、アモルファスシリカにおける局所的密度変化に対して強く感受性を示し、正確な密度化マッピングを可能にした。
• 表面および内部の両方で微粒子的分解能を有する、インデンテーション誘発密度化の三次元的マップが、成功裏に再構築された。
• この手法により、インデンテーション領域の下部まで延びる非均一な密度化プロファイルが明らかになり、表面を越えた複雑なプラスチック変形が示された。
• 密度化の空間的分布は、ガラス状材料における体積ひずみとせん断ひずみの理論的期待と一致した。
• 実験的データは、アモルファスシリカにおけるプラスチシティモデルの検証および精緻化のための定量的リファレンスを提供した。
• 本手法は、ラマン分光法を用いたガラス状材料における局所的構造変化の深さ方向高分解能プローブの可能性を示した。