[论文解读] 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 7

一句话总结

本实验型博士论文通过电子顺磁共振（EPR）光谱和光学吸收（OA）测量，研究非晶态二氧化硅（a-SiO2）中本征顺磁性点缺陷（E′_γ、E′_δ、E′_α及三重态中心）的微观结构。通过分析与²⁹Si核（I = 1/2，天然丰度4.7%）的超精细相互作用，该研究确定了缺陷波函数特性及前体位点，旨在为电子应用中辐射抗性a-SiO2材料的开发提供指导。

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.

研究动机与目标

• 理解非晶态二氧化硅（a-SiO2）中本征顺磁性点缺陷（特别是E′_γ、E′_δ、E′_α及三重态中心）的微观结构。
• 通过与²⁹Si核的超精细相互作用，研究未成对电子波函数在这些缺陷中的作用。
• 确定辐射诱导缺陷的电荷态及其形成机制。
• 识别缺陷形成的前体位点，以实现更优辐射抗性的a-SiO2材料设计。
• 将材料成分（OH、Al、氧缺乏）与制备工艺历史与缺陷行为相关联。

提出的方法

• 对不同制备方法、OH和Al含量及氧缺乏程度的a-SiO2样品进行γ射线和β射线辐照。
• 采用电子顺磁共振（EPR）光谱分析顺磁中心及其与²⁹Si核（I = 1/2，天然丰度4.7%）的超精细相互作用。
• 在部分样品中使用光学吸收（OA）测量进一步表征缺陷的电子性质。
• 分析热处理对辐照后缺陷演化与稳定性的效应。
• 将缺陷信号与材料成分及工艺参数相关联，以推断前体结构。
• 通过EPR线形与超精细耦合分析，推断未成对电子波函数的空间分布与对称性。

实验结果

研究问题

• RQ1 E′_γ、E′_δ、E′_α及三重态顺磁中心在a-SiO2中的微观结构是什么？
• RQ2 这些缺陷中未成对电子波函数与邻近²⁹Si核如何相互作用？这揭示了其空间构型的哪些信息？
• RQ3 a-SiO2网络中哪些前体位点会导致这些辐射诱导缺陷的形成？
• RQ4 OH含量、Al掺杂及氧缺乏的变化如何影响这些顺磁中心的形成与稳定性？
• RQ5 这些缺陷的电荷态是什么？其在辐照与热处理下的形成过程如何受电荷态影响？

主要发现

• 通过EPR测得的超精细耦合常数揭示了未成对电子与²⁹Si核之间具有显著的各向异性相互作用，表明电子波函数局域于特定硅原子位点。
• E′_γ、E′_δ和E′_α中心与涉及键应变的Si–O键及硅位点上的悬空键的特定局部原子构型相关。
• 三重态顺磁中心表现出具有特定g值和超精细分裂的特征EPR信号，表明其具有包含两个未成对电子的独特电子结构。
• 热处理可降低部分顺磁中心的浓度，表明缺陷发生了退火与复合过程。
• 缺陷形成强烈受氧缺乏和Al掺杂的影响，Al含量较高的样品表现出不同的缺陷动力学与稳定性。
• 本研究识别出潜在的前体位点，如应变的Si–O–Si键与氧空位，这些结构在辐照下可能演化为顺磁性缺陷。