[論文レビュー] Viscosity of Silica and Doped Silica Melts: Evidence for a Crossover Temperature

John C. Mauro, Charles R. Kurkjian+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2021

Material Dynamics and Properties参考文献 25被引用数 13

ひとこと要約

本研究は、酸化ケイ素およびドーピングされた酸化ケイ素の融解状態の粘度-温度挙動を調査し、高温では内在的欠陥を介した流動が支配的であるのに対し、低温ではドーピングによって誘導される欠陥を介した流動に移行する普遍的な転移温度（約2200–2500 K）が存在することを明らかにした。この発見により、微量不純物によって生じるガラス転移温度（最大300 Kの変動）や活性化エネルギーの大きなばらつきが説明され、酸化ケイ素が純粋な強液体であるという古典的見解に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

Silica is known as the archetypal strong liquid, exhibiting an Arrhenius viscosity curve with a high glass transition temperature and constant activation energy. However, given the ideally isostatic nature of the silica network, the presence of even a small concentration of defects can lead to a significant decrease in both the glass transition temperature and activation energy for viscous flow. To understand the impact of trace level dopants on the viscosity of silica, we measure the viscosity-temperature curves for seven silica glass samples having different impurities, including four natural and three synthetic samples. Depending on the type of dopant, the glass transition temperature can vary by nearly 300 K. A common crossover is found for all viscosity curves around ~2200-2500 K, which we attribute to a change of the transport mechanism in the melt from being dominated by intrinsic defects at high temperature to dopant-induced defects at low temperatures.

研究の動機と目的

• 微量レベルのドーピングが酸化ケイ素融解の粘度およびガラス転移温度に与える影響を理解すること。
• 酸化ケイ素融解において、内在的輸送メカニズムとドーピング支配の輸送メカニズムの間の遷移を支配する普遍的な温度領域が存在するかを特定すること。
• 異なるドーピング（天然および合成）が活性化エネルギーおよびガラス転移温度に与える影響を定量的に評価すること。
• 特に不純物の影響を受ける状況において、酸化ケイ素の粘度挙動が古典的アレニウスモデルからどのように逸脱するかを解明し、その乖離を解消すること。

提案手法

• 天然の4種および合成の3種の異なる不純物含有量を有する7種の酸化ケイ素ガラス試料について、粘度-温度曲線を実験的に測定した。
• 広い温度範囲にわたり、活性化エネルギーおよびガラス転移温度（Tg）を高溫粘度測定法を用いて決定した。
• 粘度のアレニウス挙動を分析し、粘性流動の律速段階の変化を示す偏差を検出する。
• 異なるドーピング種の間で粘度曲線を比較し、すべての試料に共通する同一の転移温度が存在するかを同定する。
• 欠陥化学の原則を応用し、輸送メカニズムが内在的欠陥からドーピング誘導欠陥への移行を解釈する。
• ドーピング種類および濃度とTgおよび活性化エネルギーの変化との相関をとることで、ネットワーク修飾の傾向を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドーピング種類にかかわらず、酸化ケイ素およびドーピングされた酸化ケイ素融解の粘度-温度挙動に普遍的な転移温度が存在するか？
• RQ2 微量不純物はどのように酸化ケイ素融解の活性化エネルギーおよびガラス転移温度を変化させるか？
• RQ3 酸化ケイ素融解においてアレニウス挙動から逸脱する原因は何か？その物理的起源は何か？
• RQ4 酸化ケイ素融解における輸送メカニズムは、高温では内在的欠陥が支配的であり、低温ではドーピング誘導欠陥が支配的であるか？
• RQ5 アルミニウム、ボロン、リンなどの異なるドーピング種が、酸化ケイ素融解の粘度および転移温度にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• ドーピングされた酸化ケイ素融解の全粘度-温度曲線において、約2200–2500 Kの普遍的な転移温度が観察され、輸送メカニズムの主導的変化を示した。
• 酸化ケイ素が強液体として分類されるにもかかわらず、ドーピング種類および濃度に応じてガラス転移温度（Tg）が約300 Kの範囲で変動した。
• ドーピングの添加に伴い、粘性流動の活性化エネルギーが顕著に低下し、粘性流動の律速段階が内在的欠陥形成からドーピング支援によるネットワーク修飾に移行したことを示した。
• 転移温度より高い温度では、粘性流動は理想酸化ケイ素ネットワーク内の内在的欠陥によって支配されるが、それより低い温度ではドーピング誘導欠陥が輸送過程を支配する。
• 異なるドーピング種にかかわらず、転移温度が一貫しており、酸化ケイ素融解における構造的緩和の性質の根本的転移を示唆している。
• 結果から、微量不純物でさえも酸化ケイ素の熱力学的・機械的挙動を劇的に変化させることを示し、酸化ケイ素が内在的に強液体の挙動を示すという仮定に疑問を呈するものである。