[論文レビュー] Experimental investigation on the microscopic structure of intrinsic paramagnetic point defects in amorphous silicon dioxide

Gianpiero Buscarino|ArXiv.org|Nov 26, 2007

Glass properties and applications参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本実験的博士論文は、電子スピン共鳴（EPR）分光法および光学吸収（OA）測定を用いて、非晶質シリカ酸化物（a-SiO2）中の内在的パラマグネティック点欠陥（E′_γ、E′_δ、E′_αおよび三重項中心）の微視的構造を調査している。29Si核（スピンI = 1/2、天然同位体分率4.7%）とのハイパーフィン相互作用を分析することで、欠陥の波動関数の特徴と前駆体サイトを同定し、電子素子用途向けに放射線耐性を有するa-SiO2の開発を支援することを目的としている。

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.

研究の動機と目的

• 非晶質シリカ酸化物（a-SiO2）中の内在的パラマグネティック点欠陥、特にE′_γ、E′_δ、E′_αおよび三重項中心の微視的構造を理解すること。
• 29Si核（I = 1/2、天然同位体分率4.7%）とのハイパーフィン相互作用を通じて、これらの欠陥における不対電子波動関数の役割を調査すること。
• a-SiO2における放射線誘発欠陥の電荷状態および生成メカニズムを特定すること。
• 欠陥生成の前駆体サイトを同定し、より放射線耐性に優れたa-SiO2材料の設計を可能にすること。
• 材料組成（OH、Al、酸素欠損）および処理履歴と欠陥行動の相関をとること。

提案手法

• 異なる製造法、OHおよびAl含有量、酸素欠損を有する多様なa-SiO2試料に対してガンマ線およびベータ線照射を実施した。
• パラマグネティック中心およびそれらの29Si核（I = 1/2、天然同位体分率4.7%）とのハイパーフィン相互作用を分析するため、電子スピン共鳴（EPR）分光法を実施した。
• 一部の試料に対して光学吸収（OA）測定を実施し、欠陥の電子的性質をさらに特徴づけた。
• 放射線照射後の欠陥の進化および安定性に及ぼす熱処理効果を分析した。
• 欠陥信号と材料組成および処理パrameterの相関をとることで、前駆体構造を推定した。
• EPRライン形状およびハイパーフィン結合解析を用いて、不対電子波動関数の空間的分布および対称性を解明した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 a-SiO2中のE′_γ、E′_δ、E′_αおよび三重項パラマグネティック中心の微視的構造は何か？
• RQ2 これらの欠陥における不対電子波動関数が隣接する29Si核とどのように相互作用するか。これにより空間的配置はどのような情報を示すか？
• RQ3 これらの放射線誘発欠陥の生成に寄与するa-SiO2ネットワーク内の前駆体サイトは何か？
• RQ4 OH含有量、Alドーピングおよび酸素欠損の変動が、これらのパラマグネティック中心の生成および安定性にどのように影響するか？
• RQ5 これらの欠陥の電荷状態は何か。また、放射線照射および熱処理下での生成にその電荷状態がどのように影響するか？

主な発見

• EPRを用いた測定により得られたハイパーフィン結合定数は、不対電子と29Si核との間で顕著な異方性相互作用が存在することを示しており、特定のSiサイトにおける局在的波動関数を示している。
• E′_γ、E′_δおよびE′_α中心は、歪みを伴うSi–O結合およびSiサイトにおけるダングリングボンドを含む、異なる局在的原子配置に関連している。
• 三重項パラマグネティック中心は、特定のg値およびハイパーフィン分裂を示す特徴的なEPR信号を示しており、2つの不対電子を含む独自の電子的構造を示唆している。
• 熱処理により特定のパラマグネティック中心の濃度が低下した。これは欠陥のアニールおよび再結合反応を示している。
• 欠陥生成は酸素欠損およびAlドーピングに強く依存しており、Al含有量の高い試料では欠陥の動態および安定性が変化している。
• 本研究では、歪みを伴うSi–O–Si結合および酸素バケーションが、放射線条件下でパラマグネティック欠陥に進化する可能性のある前駆体サイトとして同定された。