[논문 리뷰] Effect of gamma irradiation on the structure and valence state of Nd in phosphate glass

V. Matolı x n, B. N. Raja Sekhar외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 18.

Glass properties and applications참고 문헌 4인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 FTIR 및 XPS를 이용하여 감마선 조사가 neodymium-doped phosphate glass의 구조적 및 산화 상태 변화에 미치는 영향을 분석함으로써, 감마선 조사가 P-O-P 결합 파손, 교량 산소 감소, 산소 농도 감소 및 Nd³⁺의 부분적 환원을 유도함을 확인함. 이는 비대칭적인 Nd 3d5/2 피크와 O 1s 스펙트럼 변화를 통해 확인됨.

ABSTRACT

Fourier transform infrared (FTIR) spectra and X-ray photoelectron spectra (XPS) of Nd doped phosphate glasses have been studied before and after gamma irradiation in order to find the behavior of chemical bonds, which decide the structural changes in the glass samples. IR absorption spectra of these glasses are found dominated mainly by the characteristics phosphate groups, water (OH) present in the glass network as well as on the composition of glass matrix. The effects of gamma irradiation are observed in the form of bond breaking and possible re-arrangement of the bonding in the glass. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) and XPS measurements show changes in the relative concentration of elements; particularly decrease in the concentration of oxygen in the glass samples after gamma irradiation, a possible source of oxygen vacancies. The decrease in the asymmetry in O 1s spectra after gamma irradiation indicates towards decrease in the concentration of bridging oxygen as a result of P-O-P bond breaking. Asymmetric profile of Nd 3d5/2peak after gamma irradiation is found to be due to conversion of Nd3+ to Nd2+ in the glass matrix.

연구 동기 및 목표

• 감마선 조사가 Nd-doped phosphate glass의 국소 구조에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 조사를 받은 상태에서 P-O-P 및 O-H 기초의 화학 결합 변화를 조사하는 것.
• 조사를 받은 후 Nd의 산화 상태 전이, 즉 Nd³⁺에서 Nd²⁺로의 변화를 규명하는 것.
• 산소 빈약성 생성을 산소 농도 변화 및 O 1s 스펙트럼 변화를 통해 분석하는 것.
• XPS 및 EDX를 이용하여 구조적 수정과 전자적·화학적 상태 변화 간의 상관관계를 분석하는 것.

제안 방법

• 감마선 조사 이전 및 이후의 인산기, 수산기 및 네트워크 조절제의 진동 모드 분석을 위해 FTIR 스펙트럼 확보.
• Nd, P, O 원소의 화학적 상태 변화를 분석하기 위해 X선 광전자 스펙트로스코피(XPS) 활용.
• 산소 결핍 및 Nd 산화 상태 이동을 나타내는 비대칭성 변화를 감지하기 위해 O 1s 및 Nd 3d5/2 피크 형상의 정량적 분석 수행.
• 특히 조사 후 산소 농도 감소를 평가하기 위해 EDX 측정 수행.
• 조사 전후 스펙트럼 비교를 통해 결합 파손(예: P-O-P) 및 구조 재조직을 식별.
• 다양한 산소 종류 및 Nd 산화 상태 기여도를 분리하기 위해 XPS 스펙트럼에 피크 분해 기법 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감마선 조사는 Nd-doped 유리 내 인산기의 진동 모드와 결합 환경에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 감마선 조사 후 산소 종류 분포, 특히 교량 산소와 비교량 산소에 어떤 변화가 발생하는가?
• RQ3 감마선 조사는 인산염 유리 매트릭스 내에서 Nd³⁺의 환원 정도가 어느 정도까지 유도하는가?
• RQ4 관측된 구조적 및 전자적 변화에 있어 산소 빈약성 생성의 역할은 무엇인가?
• RQ5 EDX 및 XPS 측정을 통해 감마선 조사 후 산소 및 neodymium 등의 원소 상대 농도는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 감마선 조사는 주로 P-O-P 결합 분해를 통해 인산염 네트워크 내에서 상당한 결합 파손을 유도함.
• 조사 후 O 1s XPS 스펙트럼의 비대칭성 감소로 인해 교량 산소 농도 감소가 나타남.
• EDX 및 XPS를 통한 확인으로, 유리 매트릭스 내 산소 농도가 조사 후 감소함을 확인하여 산소 빈약성 생성을 시사함.
• 조사 후 XPS에서 관찰된 Nd 3d5/2 피크의 비대칭적 형상은 Nd³⁺에서 Nd²⁺로의 부분적 환원에 직접적인 증거를 제공함.
• 수산기(OH)의 존재 및 그 유리 네트워크와의 상호작용은 IR 흡수 피크 변화를 통해 변화되었음을 보여줌.
• 조사 후 구조 재조직이 발생하였으며, 결합 파손 및 결함 생성으로 인한 네트워크 재배열 증거가 있음.