[논문 리뷰] Experimental investigation on the microscopic structure of intrinsic paramagnetic point defects in amorphous silicon dioxide

Gianpiero Buscarino|ArXiv.org|2007. 11. 26.

Glass properties and applications참고 문헌 14인용 수 7

한 줄 요약

이 실험적 박사학위 논문은 전자 스펙트로스코피(EPR) 및 광학 흡수(OA) 측정을 통해 비정질 실리카이산화물(a-SiO2) 내 내재된 반도체 스퍼널리티가 있는 점결함(E′_γ, E′_δ, E′_α 및 트리플렛 중심)의 미세 구조를 연구한다. 29Si 핵(I = 1/2, 자연 풍부도 4.7%)과의 초미세 상호작용을 분석함으로써 결함의 파동함수 특성과 원천이 되는 구조를 규명하고, 전자기기용 방사선에 강한 a-SiO2의 개발을 이끌고자 한다.

ABSTRACT

In the present Ph.D. Thesis we report an experimental investigation on the effects of gamma- and beta-ray irradiation and of subsequent thermal treatment on many types of a-SiO2 materials, differing in the production methods, OH- and Al-content, and oxygen deficiencies. Our main objective is to gain further insight on the microscopic structures of the E'_gamma, E'_delta, E'_alpha and triplet paramagnetic centers, which are among the most important and studied class of radiation induced intrinsic point defects in a-SiO2. To pursue this objective, we use prevalently the EPR spectroscopy. In particular, our work is focused on the properties of the unpaired electrons wave functions involved in the defects, and this aspect is mainly investigated through the study of the EPR signals originating from the interaction of the unpaired electrons with 29Si magnetic nuclei (with nuclear spin I=1/2 and natural abundance 4.7 %). In addition, in some cases of interest, OA measurements are also performed with the aim to further characterize the electronic properties of the defects. Furthermore, due to its relevance for electronics application, the charge state of the defects is investigated by looking at the processes responsible for the generation of the defects of interest. Once these information were gained, the possible sites that can serve as precursors for defects formation are deduced, with the definitive purpose to obtain in the future more radiation resistant a-SiO2 materials in which the deleterious effects connected with the point defects are significantly reduced.

연구 동기 및 목표

• 비정질 실리카이산화물(a-SiO2) 내 내재된 반자성 점결함, 특히 E′_γ, E′_δ, E′_α 및 트리플렛 중심의 미세 구조를 이해하는 것.
• 29Si 핵과의 초미세 상호작용을 통해 이러한 결함 내 불완전 전자의 파동함수 역할을 조사하는 것.
• a-SiO2 내 방사선 유도 결함의 전하 상태 및 생성 메커니즘을 규명하는 것.
• 결함 생성을 위한 원천 구조를 규명하여 더 방사선에 강한 a-SiO2 재료의 설계를 가능하게 하는 것.
• 재료 조성(OH, Al, 산소 결핍)과 제조 역사가 결함 거동에 미치는 영향을 연관시키는 것.

제안 방법

• 다양한 제조 방법, OH 및 Al 농도, 산소 결핍을 가진 a-SiO2 시료에 감마선 및 베타선 조사 수행.
• 전자 스펙트로스코피(EPR)를 이용해 반자성 중심 및 29Si 핵(I = 1/2, 자연 풍부도 4.7%)과의 초미세 상호작용 분석.
• 특정 경우에 광학 흡수(OA) 측정을 수행하여 결함의 전자적 성질을 추가로 특성화.
• 조사 후 결함의 진화 및 안정성에 영향을 미치는 열처리 효과 분석.
• 결함 신호를 재료 조성 및 제조 조건과 연관시켜 원천 구조를 추론.
• EPR 선형형상 및 초미세 결합 상수 분석을 통해 불완전 전자 파동함수의 공간 분포 및 대칭성 추론.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 a-SiO2 내 E′_γ, E′_δ, E′_α 및 트리플렛 반자성 중심의 미세 구조는 무엇인가?
• RQ2 이 결함 내 불완전 전자 파동함수는 인접한 29Si 핵과 어떻게 상호작용하며, 이는 그들의 공간적 구성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 a-SiO2 네트워크 내에서 이러한 방사선 유도 결함의 생성을 이끄는 원천 구조는 무엇인가?
• RQ4 OH 농도, 알루미늄 도핑 및 산소 결핍의 변화가 이러한 반자성 중심의 생성 및 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 이 결함의 전하 상태는 무엇이며, 이는 조사 및 열처리 조건에서의 생성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• EPR를 통한 초미세 결합 상수 측정 결과, 불완전 전자와 29Si 핵 사이의 고유한 비등방성 상호작용이 확인되어 특정 Si 위치에서 국소화된 파동함수를 시사한다.
• E′_γ, E′_δ 및 E′_α 중심은 긴장된 Si–O 결합과 실리콘 위치의 빈전자(단절 결합)를 포함한 다양한 국소 원자 구조와 관련되어 있다.
• 트리플렛 반자성 중심은 특정 g값과 초미세 분열을 보이는 특징적인 EPR 신호를 나타내어, 두 개의 불완전 전자를 포함하는 고유한 전자 구조를 시사한다.
• 열처리 시 일부 반자성 중심의 농도가 감소하여 결함의 안정화 및 재결합 과정이 일어나는 것으로 나타났다.
• 결함 생성은 산소 결핍과 알루미늄 도핑에 의해 강하게 영향을 받으며, 알루미늄 농도가 높은 시료는 결함 동역학 및 안정성에 변화를 초래한다.
• 이 연구는 긴장된 Si–O–Si 결합 및 산소 공백과 같은 잠재적 원천 구조를 규명하였으며, 이들은 조사 조건에서 반자성 결함으로 진화할 가능성이 높다.