[논문 리뷰] Nature of Structural Transformations in the B2O3 Glass under High Pressure

V. V. Brazhkin, Yoshiaki Katayama외 8명|arXiv (Cornell University)|2008. 05. 13.

High-pressure geophysics and materials참고 문헌 5인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 X선 회절, 부피 측정 및 처음부터 원리적 시뮬레이션을 이용하여 250 GPa까지의 고압에서 B2O3 유리의 구조적 변화를 조사한다. 두 개의 넓고 겹치는 전이가 드러났다: 1 GPa 이하에서 일어나는 전이(붕소 배위수 변화 없음)와 5 GPa 이상에서 발생하는 전이(붕소 배위수 점진적 증가), 두 번째 전이는 완전히 가역적이며 첫 번째 전이와 관련된 부분적인 비가역성과 연결되어 있다. 또한 초고압에서 5- 및 6-배위 붕소를 포함하는 초밀도 상이 예측된다.

ABSTRACT

We report the results of the X-ray diffraction study of B2O3 glass in the pressure interval up to 10 GPa in the 300-700 K temperature range, the results of in-situ volumetric measurements of the glass at pressures up to 9 GPa at room temperature, and first-principles simulations data at pressures up to 250GPa. The behavior of B2O3 glass under pressure can be described as two broad pressure-overlapping transitions. The first transition starts at P > 1 GPa and proceeds without any changes in thecoordination number of the boron atoms; the other one starts at P > 5 GPa and is accompanied by a gradual increase of coordination number. The second transition is completely reversible; the residual densification of the B2O3 glass after decompression is associated with the incomplete reversibility of the first transformation. The fraction of boron atoms transferred to the 4-coordination state in the glass at P < 10 GPa is much smaller than was assumed from indirect experimental data [4], but is considerably larger (by tens of times) than was previously suggested by the classical molecular dynamics simulations [5,6]. The observed transformations under both compression and decompression are quite broad, contrary to the assumption in Ref. [7]. On the basis of ab-initio results, we also predict the one more transformation under higher pressures to a super-dense phase, in which B atoms become 5- and 6-fold coordinated.

연구 동기 및 목표

• 고압 하에서 B2O3 유리의 구조 전이의 성격을 이해하기 위해.
• 붕소 배위수에 관해 간접 실험 데이터와 고전적 분자 동역학 시뮬레이션 간의 모순을 해결하기 위해.
• 압축 및 당기기 동안의 구조 변화의 가역성을 조사하기 위해.
• ab initio 시뮬레이션을 이용해 10 GPa 이상의 고압 상을 예측하기 위해.
• B2O3 유리에서 붕소 배위 상태의 압력 의존성을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• B2O3 유리의 구조적 변화를 탐색하기 위해 300–700 K 범위 및 최대 10 GPa에서 X선 회절 측정을 수행하였다.
• 실시간 부피 측정을 실온에서 최대 9 GPa까지 수행하여 압축 중 밀도 변화를 평가하였다.
• 250 GPa까지의 구조적 거동을 모델링하기 위해 처음부터 원리적 시뮬레이션을 사용하여 고압 상의 예측을 가능하게 하였다.
• 압력에 따른 붕소 원자의 배위수를 분석하여 구조적 진화를 추적하였다.
• 관측된 전이와 새로운 상의 예측을 검증하기 위해 실험 데이터와 ab initio 결과를 비교하였다.
• 압축 후 잔류 밀도 증가를 분석하여 구조 변화의 가역성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 B2O3 유리에서 고압 하에서의 구조 전이의 성격은 무엇이며, 붕소 원자의 배위수 변화는 압력과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ2 왜 관측된 전이가 이전 문헌에서 가정된 것보다 넓은가?
• RQ3 B2O3 유리의 구조 변화는 압축 해제 후 어느 정도까지 가역적인가?
• RQ4 B2O3 유리에서 4-배위 붕소 원자의 비율은 이전 간접 측정치와 고전적 시뮬레이션 결과와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 ab initio 시뮬레이션은 10 GPa 이상에서 어떤 고압 상을 예측하는가?

주요 결과

• B2O3 유리에서 첫 번째 구조 전이는 1 GPa 이상에서 시작되며, 붕소 배위수의 변화 없이 발생하여 비공유 또는 구조적 전이임을 시사한다.
• 두 번째 전이는 5 GPa 이상에서 시작되며, 붕소 배위수의 점진적 증가로 특징지어지며, 연속적인 구조 재구성임을 나타낸다.
• 두 번째 전이는 완전히 가역적이며, 복귀 후 잔류 밀도 증가가 첫 번째 전이의 완전한 가역성 부족에서 기인한다.
• 10 GPa 이하의 압력에서 4-배위 붕소 원자의 비율은 고전적 분자 동역학 시뮬레이션에 의해 이전에 추정된 것보다 뚜렷이 높지만, 간접 실험 데이터에서 유추된 값보다는 낮다.
• 관측된 전이는 넓고 연속적이며, 이전 연구에서 가정된 날카롭고 이산적인 전이와 모순된다.
• ab initio 시뮬레이션은 극한 압력에서 붕소 원자가 5- 및 6-배위를 취하는 새로운 초밀도 상을 예측하며, 이는 근본적인 구조 재구성임을 시사한다.