[论文解读] Effect of gamma irradiation on the structure and valence state of Nd in phosphate glass

V. Matolı x n, B. N. Raja Sekhar+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2014

Glass properties and applications参考文献 4被引用 13

一句话总结

本研究通过FTIR和XPS分析结构与价态变化，探讨了γ射线辐照对掺钕磷酸盐玻璃的影响。γ射线辐照导致P-O-P键断裂，桥氧减少，氧浓度降低，并使Nd³⁺部分还原为Nd²⁺，这一结果由Nd 3d5/2峰的不对称性及O 1s谱的变化所证实。

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.

研究动机与目标

• 了解γ射线辐照如何改变掺钕磷酸盐玻璃的局部结构。
• 研究辐照条件下化学键（尤其是P-O-P和O-H基团）的变化。
• 确定辐照后Nd从Nd³⁺向Nd²⁺的价态转变。
• 通过氧浓度变化和O 1s谱分析氧空位的形成。
• 利用XPS和EDX将结构改性与电子态及化学态变化相关联。

提出的方法

• 获取辐照前后磷酸根基团、OH及网络修饰剂的振动模式的FTIR光谱。
• 使用X射线光电子能谱（XPS）分析Nd、P和O元素的化学态变化。
• 对O 1s和Nd 3d5/2峰形进行定量分析，检测不对称性变化，以指示氧缺乏及Nd价态变化。
• 通过EDX测量评估元素相对浓度变化，特别是辐照后氧的减少。
• 对比辐照前后光谱，识别键断裂（如P-O-P）和结构重排。
• 对XPS光谱应用峰分解技术，以分离不同氧物种和Nd氧化态的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 γ射线辐照如何影响掺钕玻璃中磷酸根基团的振动模式和键合环境？
• RQ2 γ射线辐照后，氧物种分布（尤其是桥氧与非桥氧）发生何种变化？
• RQ3 γ射线辐照在多大程度上诱导磷酸盐玻璃基质中Nd³⁺还原为Nd²⁺？
• RQ4 氧空位的形成在辐照后观察到的结构与电子态变化中起何种作用？
• RQ5 通过EDX和XPS测量，辐照后氧和钕等元素的相对浓度如何变化？

主要发现

• γ射线辐照导致磷酸盐网络中发生显著的键断裂，主要通过P-O-P键的断裂实现。
• 辐照后O 1s XPS谱的不对称性降低，表明桥氧浓度减少。
• EDX和XPS结果均证实玻璃基质中氧浓度在辐照后降低，表明氧空位形成。
• 辐照后XPS中Nd 3d5/2峰的不对称形状为Nd³⁺部分还原为Nd²⁺提供了直接证据。
• IR吸收带的变化表明OH基团及其与玻璃网络的相互作用发生改变。
• 辐照后发生结构重排，键断裂和缺陷形成导致网络重排的证据显现。