[論文レビュー] Variations on a theme - the evolution of hydrocarbon solids: III. Size-dependent properties - the optEC(s)(a) model

A. P. Jones|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2015

Astrophysics and Star Formation Studies参考文献 62被引用数 56

ひとこと要約

本論文は、炭素水素ネットワークの微視的物理的原則と表面修飾を統合した、水素化非晶質炭素（a-C:H）ダスト粒子のサイズ依存性光学的性質モデルoptEC(s)(a)を提案する。このモデルは、サブナノメートルのa-C:H粒子が、古典的PAHモデルとは著しく異なる有効バンドギャップの増大と、長波長（FIR-mm）領域での特徴的な放射を示すと予測する。また、粒子半径0.33–100 nm、バンドギャップ−0.1–2.7 eVの範囲で、EUVからcm波長までの一連の光学定数を表形式で提供する。

ABSTRACT

Context. The properties of hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) dust evolve in response to the local radiation field in the interstellar medium and the evolution of these properties is particularly dependent upon the particle size. Aims. A model for finite-sized, low-temperature amorphous hydrocarbon particles, based on the microphysical properties of random and defected networks of carbon and hydrogen atoms, with surfaces passivated by hydrogen atoms, has been developed. Methods. The eRCN/DG and the optEC(s) models have been combined, adapted and extended into a new optEC(s)(a) model that is used to calculate the optical properties of hydrocarbon grain materials down into the sub-nanometre size regime, where the particles contain only a few tens of carbon atoms. Results. The optEC(s)(a) model predicts a continuity in properties from large to small (sub-nm) carbonaceous grains. Tabulated data of the size-dependent optical constants (from EUV to cm wavelengths) for a-C:H (nano-)particles as a function of the bulk material band gap [Eg(bulk)], or equivalently the hydrogen content, are provided. The effective band gap [Eg(eff.)] is found to be significantly larger than Eg(bulk) for hydrogen-poor a-C(:H) nano-particles and their predicted long-wavelength (λ > 30μm) optical properties differ from those derived for interstellar polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Conclusions. The optEC(s)(a) model is used to investigate the size-dependent structural and spectral evolution of a-C(:H) materials under ISM conditions, including: the IR-FUV extinction, the 217 nm bump and the infrared emission bands. The model makes several predictions that can be tested against observations.

研究の動機と目的

• サブナノメートル粒子を含む広範なサイズ範囲における星間炭素水素ダストの光学的性質を物理的に根拠づけたモデルの構築。
• 小粒子に対してボトムアップ的挙動を仮定する従来モデルの限界、特に遠赤外およびミリ波領域における問題を解決すること。
• 粒子半径およびバンドギャップの関数として、a-C:H材料のサイズ分解能を有する複素屈折率（nおよびk）の検証可能なデータセットの提供。
• 表面水素化および有限サイズ効果が、星間空間における炭素質ダストのスペクトル的進化に与える影響の解明。
• 観測された星間減光関数、発光特徴、およびダスト放射率指数との一貫性をモデルが満たすかの検証。

提案手法

• eRCN/DG構造モデルとoptEC(s)フレームワークを統合し、有限なa-C:H粒子のサイズ依存性光学定数を導出する。
• 固体物理学の原則を適用し、水素含有量および粒子サイズが変化する炭素水素ネットワークの電子構造をモデル化する。
• 量子閉じ込め効果および表面効果を考慮した、粒子半径およびバルクバンドギャップ（E_g,bulk）の関数としての有効バンドギャップ（E_g,eff）を計算する。
• サイズおよび組成依存の誘電関数を用いて、EUVからcm波長まで広範な電磁スペクトル全域における複素屈折率m = n + ikを導出する。
• 粒子半径0.33–100 nm、バンドギャップ−0.1–2.7 eVの範囲でnおよびkの表形式データを生成し、ダスト放射移動モデルへの応用を可能にする。
• 217 nmのピーク、3–4 μmの発光バンド、FIR-mm放射率指数といった観測された星間特徴と照合して予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 a-C:Hダスト粒子のサイズが10 nm未満に減少する際、その光学的性質はどのように変化するか？
• RQ2 表面水素化および有限サイズ効果は、星間炭素質ダストの有効バンドギャップおよび長波長放射にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 小粒径a-C:H粒子の予測されるFIR-mm特性は、古典的PAHモデルと比べてどのように異なるか？
• RQ4 モデルは、星間減光、発光バンド、およびダスト放射率の間の観測された相関および非相関を説明できるか？
• RQ5 PDRにおけるフラーレンおよび小分子炭化水素の生成経路に、サイズ依存性光学的性質が及える影響は何か？

主な発見

• 水素が乏しいa-C:Hナノ粒子の有効バンドギャップ（E_g,eff）は、バルクバンドギャップ（E_g,bulk）よりも顕著に大きくなる。特に炭素原子数が100未満の粒子で顕著である。
• サブナノメートルのa-C:H粒子は、古典的PAHモデルと比較して、長波長（λ > 30 μm）領域の光学的性質に顕著な乖離を示し、強化されたFIR放射が予測される。
• モデルは、3.28 μmの芳香族CH伸張振動バンドが、常にアルキルCHバンドまたは3.35–3.55 μm領域の平坦なプラトーを伴うと予測しており、孤立した芳香族特徴を仮定するモデルに反する。
• 小粒径a-C:H粒子の紫外光分解反応は、PDR領域でCCH、c-C3H2、C4Hなどの小分子炭化水素を生成すると予測される。
• モデルは、「純粋な」グラファイト粒子や「完璧な」PAH分子が星間ダストの主要成分である可能性は低く、キャップ構造を持つ芳香族／アルキル構造がより現実的な最終生成物である可能性を示唆する。
• 強力なFIR-mm吸収を示すには、a-C:H粒子が約9 nm以上（N_C ≳ 10^4）のサイズである必要があり、これは古典的PAHモデルが長波長放射のためのサイズ要件を過小評価している可能性を示唆する。