X線ラマン散乱測定による二酸化ケイ素の局所構造解析とフォノン分散関係の解明

通过 X 射线拉曼散射测量对二氧化硅进行局域结构分析并阐明声子色散关系

• 批准号: 17740352
• 负责人: 福井 宏之
• 金额: $ 1.66万
• 依托单位: Okayama University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17740352/
• 关键词: X線ラマン散乱; 非弾性散乱; 放射光; 二酸化ケイ素; 結晶; ガラス; 高圧; 水

本年度は、二酸化ケイ素の結晶(コーサイトおよびクリストバライト)を試料としたケイ素・酸素のX線吸収端エネルギーに対応するX線ラマンバンドの測定を常温常圧条件の下で行った。さらに、ダイヤモンドアンビルセルを用いた高圧下でのX線ラマン散乱測定を行った。この測定ではシリカガラスを試料とし、端近傍のスペクトル構造の変化を観察することにより、シリカガラスの構造の圧力変化について調べた。これにより、まず酸素原子の局所構造に変化が起こり、その後ケイ素原子の局所構造が変化していくという圧縮機構を示唆する結果を得た。さらに第一原理によるスペクトル計算にも取り組み、密度汎関数法を用いたバンド計算により実験結果をよく再現することができた。実験結果との比較により、酸素原子の局所構造の変化は、ケイ素-酸素-ケイ素の結合角の減少であることが予測された。X線ラマン散乱によるフォノンの分散関係の決定は、現段階では非常に困難であることがわかった。コンプトン散乱や多重散乱によるバックグラウンドが大きいことと、現状の放射光施設の強度では限られた時間内に十分な強度が得られなかったことが原因となり、X線ラマンバンドの広域構造を定量的に解析することが困難であるためである。今後のX線の更なる高輝度化と分光計の改善によって、実行すべきであると考える。

今年，使用二氧化硅晶体（cosite和cristobalite）作为样品在正常温度和压力条件下测量样品，对应于硅和氧对应的X射线拉曼带。此外，使用钻石砧细胞在高压下进行X射线拉曼散射测量。在此测量中，将二氧化硅玻璃用作样品，观察到边缘附近的光谱结构的变化以检查二氧化硅玻璃结构的压力变化。该结果表明了一种压缩机制，其中氧原子的局部结构首先改变，然后改变硅原子的局部结构。此外，我们一直在使用第一个原理进行光谱计算，并能够通过使用密度函数方法通过频段计算来很好地重现实验结果。与实验结果的比较预测，氧原子的局部结构的变化是硅 - 氧基 - 硅质的结合角的降低。在此阶段，发现通过X射线拉曼散射确定声子分散关系非常困难。这是因为由康普顿散射和多个散射引起的大型背景是由同步辐射设施的当前强度引起的，并且在有限的时间段内无法获得足够的强度，这一事实使得难以定量分析X射线拉曼带的宽面积结构。我们认为，这应该通过进一步改善X射线亮度和未来改善光谱仪来实现。