[논문 리뷰] Luminescence of alpha-quartz

A.N. Trukhin, Kaspars Truhins|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 19.

Glass properties and applications참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 α-세슘에서의 빛나는 현상에 관한 30년간의 연구를 종합적으로 다루며, 고에너지 방사선 조사 시 2.6–2.7 eV에서 방출되는 자기함유된(excited) 준위(stepped exciton, STE)와 약 0.2의 양자 수율을 가지며, 방사선에 의해 유도되는 결함 관련 빛나는 현상을 중심으로 다룬다. 주요 발견으로는 알루미늄 산화물-금속 복합체(AlO4–Me)에서 발생하는 별도의 빛나는 밴드(저온에서 6 eV, 3.4 eV), 게르마늄 관련 STE, 희토류 금속 도핑(구리: 3.4 eV, silver: 4.75 eV) 등이 있으며, 이는 알칼리 금속 이온과의 교환 과정에서 가역적으로 변화한다.

ABSTRACT

Among the host materials luminescence the luminescence of the self-trapped exciton (STE) is reviewed. This luminescence, which band is situated at 2.6 to 2.7 eV, could be observed mainly under ionising radiation with energetic yield about 0.2. The STE does not participate in pure recombination processes. Host material defect luminescence at 5 eV appears in alpha-quartz after heavy irradiation. It is constituted of permanent defect after neutron irradiation and transient defect after dens electron beam irradiation. This luminescence could be observed well at temperatures below 60 K. All another luminescence are of impurity nature. The Ge impurity luminescence in alpha-quartz explained as STE near Ge. The aluminium and alkali complexes. One of them is with UV band at 6 eV, appears at low temperatures and could be excited only in tunnelling recombination process between pairs (AlO4 Me), where Me is an alkali ion captured an electron and a hole remains on aluminium tetrahedron. Another luminescence with band at 3.4 eV is also luminescence of complexes (AlO4 Me), which behaviour is similar to the luminescence of alkali alumosilicate glass. The third luminescence with band at 3 eV could be observed mainly in natural alpha-quartz, bright at temperatures below 200 K and is interpreted as STE like luminescence at alumosilicate clasters. The exchange of alkali ions to noble ions of copper of silver reduces original luminescence of alumo alkali complexes and luminescence of noble ions appears. The main band of copper related luminescence is at 3.4 eV and that of silver is at 4.75 eV, both could be observed up to 500 K. their nature could be well described in terms of intraions transition. Exchange of noble ions back to alkali ions renews initial luminescence of the samples.

연구 동기 및 목표

• 30년에 걸친 연구를 바탕으로 α-세슘의 빛나는 성질을 체계적으로 검토하기 위해.
• 자기함유된 준위 및 결함 관련 방출에 기인한 다양한 빛나는 밴드의 기원을 규명하고 특성화하기 위해.
• 게르마늄, 알루미늄, 알칼리 금속, 구리, silver 등 불순물이 다양한 조사 조건과 온도에서 빛나는 행동을 어떻게 형성하는지 명확히 하기 위해.
• 알칼리 금속 이온을 희토류 금속 이온(Cu, Ag)으로 치환하고 다시 원상복귀할 경우 빛나는 성질의 변화가 가역적인지 설명하기 위해.

제안 방법

• 자연계 및 조사된 α-세슘 시료에 대한 수십 년간의 빛나는 스펙트로스코피 실험 데이터 분석.
• 임시 및 영구 결함을 구분하기 위해 온도 의존성 빛나는 측정을 활용.
• AlO4–Me 복합체 내에서의 터널링 재결합 모델을 적용하여 자극 메커니즘을 설명.
• 합성 및 자연계 세슘의 빛나는 행동을 비교하여 고유 결함과 불순물 기반 방출을 식별.
• 알칼리 금속 이온을 Cu 또는 Ag로 대체함으로써 빛나는 성질 변화의 가역성을 연구하기 위한 이온 교환 실험.
• 특정 결함 구조(예: (AlO4Me), 게르마늄 기반 중심, 희토류 이온 상태)와 방출 밴드를 연관시킴.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 α-세슘에서 2.6–2.7 eV 빛나는 밴드가 발생하며, 이는 왜 자기함유된 준위와 관련이 있는가?
• RQ2 중성자 및 전자 빔 조사가 α-세슘의 결함 관련 빛나는 현상에 어떻게 다르게 영향을 미치는가?
• RQ3 저온에서 관측되는 AlO4–Me 복합체의 6 eV 빛나는 밴드의 기원은 무엇인가?
• RQ4 Cu 및 Ag 도핑이 α-세슘 내 알루모-알칼리 복합체의 빛나는 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 알칼리 금속 이온 교환 과정에서 도핑된 α-세슘의 빛나는 성질이 어느 정도 가역적인가?

주요 결과

• α-세슘에서 자기함유된 준위(stepped exciton, STE) 빛나는 현상은 고에너지 방사선 조사 조건에서 2.6–2.7 eV에서 방출되며, 양자 수율은 약 0.2이다.
• 강한 조사 후 5 eV의 결함 빛나는 밴드가 나타나며, 중성자 조사 시에는 영구 결함에서 기인하고 전자 빔 조사 시에는 일시적 결함에서 기인한다. 이는 60 K 이하에서 관측 가능하다.
• AlO4–Me 복합체에서 관측되는 6 eV 빛나는 밴드는 터널링 재결합 과정에서 기인하며, 저온에서만 관측 가능하다.
• AlO4–Me 복합체에서 발생하는 3.4 eV 빛나는 밴드는 알칼리 알루미노규소산염 유리와 유사하며, 200 K 이하에서 두드러진다.
• 구리 도핑은 3.4 eV의 주요 빛나는 밴드를 유도하고, silver 도핑은 4.75 eV의 밴드를 생성하며, 이는 500 K 이하에서 안정하며 내부 이온 전이에 기인한다.
• 알칼리 금속 이온과 희토류 금속 이온(Cu, Ag) 간의 이온 교환은 빛나는 성질을 가역적으로 변화시킨다: 알칼리 금속을 Cu 또는 Ag로 대체하면 원래의 복합체 빛나는 성질이 억제되고, 이온을 다시 원상복귀하면 초기 방출 특성이 복원된다.