Efè Gwoup Hydroxyl nan Silica sou Thermodinamik, Transmisyon UV ak Estrikti
Silica fizyone, ak ekselan transmisyon optik li yo, koyefisyan ekspansyon tèmik ki ba anpil, ak rezistans radyasyon eksepsyonèl, te vin tounen yon materyèl kle iranplasabl nan domèn tankou litografi semi-conducteurs, fizyon nan prizon inèrsyèl, gwo -sistèm lazè pouvwa, ak ayewospasyal.
Ak pwogrè nan gwo -pite teknoloji pirifikasyon silica ak aparisyon nan metòd pwosesis avanse tankou enprime 3D ba-tanperati ak soude lazè femtosecond, sijè ki abòde aplikasyon li yo ap kontinye elaji. Pou egzanp, konpozan optik ki fèt ak silica fusion pou litografi pa sèlman mande pou gwo transmisyon nan rejyon iltravyolèt gwo twou san fon an, men tou yo dwe kenbe ekselan estabilite optik, tèmik, ak mekanik anba ekspoze alontèm nan gwo- gwo limyè iltravyolèt enèji.
Pwopriyete makroskopik silica fusion yo gen rapò ak estrikti topolojik mikwoskopik li yo ak domaj enpurte. Pami yo, gwoup hydroxyl yo omniprésente ak inevitab défauts extrinsèques pandan pweparasyon silice fusion. Malgre ke dopaj ak lòt enpurte tankou aliminyòm tou siyifikativman afekte viskozite segondè -tanperati a ak rezistans deformation nan silica fusion, enfliyans nan gwoup idroksil se patikilyèman konplèks. Etid pa Araki et al. menm revele konpòtman an mikwoskopik nan ti gout dlo nanokal sou sifas silica fusion, plis anrichi konpreyansyon yo genyen sou karakteristik idroksil sifas yo. Tou depan de pwosesis preparasyon an (egzanp, idroliz flanm dife oswa k ap fonn elektrik), kontni idwoksil la nan silica fusion ka varye ant pi ba pase 1 ppm jiska pi wo a 1000 ppm. Kòm yon enpurte etranje inevitab, gwoup hydroxyl jwe yon wòl konplike nan silica fusion.
An tèm de pèfòmans optik, gwoup idroksil ka repare domaj paramayetik tankou oksijèn -sant ensufizant (ODCs) ak sant E ', siyifikativman amelyore transmisyon materyèl la nan rejyon an vakyòm iltravyolèt. Nan lòt men an, an tèm de pwopriyete tèrmodinamik ak mekanik, segondè -hydroxyl fusion silica entwodui gwoup idroksil pa kraze kad tetraedral Silisyòm kontinyèl-oksijèn nan reyaksyon idroliz (≡Si–O–Si≡ + H₂O → 2≡Si–OH) pandan fabwikasyon rediksyon topolojik nan rezo a, ki mennen ale nan yon rediksyon topolojik. Efè kosyon -kase sa a siyifikativman diminye viskozite vè a ak tanperati tranzisyon an vèTg; pandan se tan, prezans nan gwoup idroksil febli modil elastik la ak fòs ka zo kase nan materyèl la. Malgre ke literati ki egziste deja te envestige separeman ak anpil eksplore efè optik oswa mekanik gwoup idroksil, prèv eksperimantal sistematik konsènan fason konsantrasyon idroksil afekte pwopriyete macroskopik tèrmodinamik yo ak karakteristik transmisyon optik nan silica fusion rete manke.
Nan papye sa a, yo te chwazi de (2) klas komèsyal ki reprezante gwo-pite sentetik silica fusion, JGS1 ak JGS3, kòm objè rechèch. Sèvi ak kalorimetri diferansye optik, tès modil elastik, Raman spèktroskopi, ak vakyòm iltravyolèt spèktroskopi, efè gwoup idroksil yo sou estrikti a, tèmik, mekanik, ak pwopriyete optik nan silica fusion yo te etidye sistematikman. Objektif la se klarifye règ yo enfliyans nan gwoup idroksil sou pwopriyete divès kalite nan silica fusion, kidonk bay yon baz syantifik pou seleksyon materyèl ak optimize pwosesis nan segondè -pèfòmans silica fusion anba kondisyon travay diferan.
1. Analiz tèmik
Figi 1 montre koub kapasite chalè espesifik (Cp) kont tanperati pou silica fusion ak sa ki diferan hydroxyl. Sèvi ak metòd ekstrapolasyon kòmansman an, sa vle di, pran entèseksyon liy debaz pwolonje anvan tranzisyon an ak tanjant pant maksimòm nan rejyon tranzisyon an,Tg nan JGS1 te mezire 1329 K, ki se 64 K pi ba pase sa ki nan JGS3 (Tg=1393 K). Rezon fondamantal fenomèn sa a se ke, konpare ak rijid fondasyon Si-O-Si a, estrikti Si-OH prezante a deranje kontinwite rezo topolojik silica fusion.
Sou yon bò, kòm yon gwoup enpurte, gwoup idroksil kraze koneksyon an nan Silisyòm-tetrahedra oksijèn, diminye polymérisation topolojik ak viskozite rezo a, kidonk mennen nan yon diminisyon nanTg. Nan lòt men an, konpare ak lyezon oksijèn pon, lyezon yo O-H nan gwoup Si-OH gen fòs lyezon pi fèb epi montre espesifik koube ak mòd vibrasyon wotasyon. Mòd Vibration adisyonèl sa yo absòbe plis chalè pandan chofaj ak dirèkteman kontribye nan ogmantasyon nanCp. Nan ti bout tan, entwodiksyon an nan gwoup idroksil dekole rezo a vè rijid, ki macroscopically manifeste kòm redwi estabilite tèmik ak yon pi ba.Tg.
2. Tanperati-Modil Elastik Depandan
Figi 2 montre koub modil elastik parapò ak tanperati (300-1300 K) pou silica fusion ak sa ki diferan idroksil. Rezilta tès yo endike ke tou de echantiyon yo montre yon efè koyefisyan tanperati pozitif anòmal pwononse nan tout seri tanperati a mezire. Karakteristik sa a nan ogmante dite ak tanperati k ap monte se tipik nan rezo tetraedral silica fusion, ak mekanis li yo sitou atribiye a evolisyon nan estrikti rezo a vè: ak ogmante tanperati, mouvman tèmik nan pon atòm oksijèn chanje ang yo lyezon nan lyezon Si-O-Si, diminye volim gratis nan rezo a vè ak fè estrikti an jeneral nan yon ogmantasyon nan modil elastik nan macroscopically.
Miyò, byenke tanperati tès anwo a (1300 K) rete nan rejyon sub-Tg echantiyon yo, sitou reflete repons elastik solid-eta a olye ke koule viskoelastik, modil Young JGS1 la toujou pi ba pase sa JGS3 ant 300 K ak 1300 K. idroliz (≡Si–O–Si≡ + H₂O → 2≡Si–OH), ki diminye frigidité rezo a epi konsa mennen nan yon diminisyon nan modil elastik makwoskopik. Konbine ak pi ba aTg (1329 K) nan JGS1 mezire pa DSC, li ka dedwi ke entwodiksyon an nan gwoup hydroxyl, pandan y ap pa chanje tandans nan ogmante modil elastik ak tanperati nan silica fusion, febli rèd la ak segondè -tanperati estabilite tèmik nan rezo a topolojik vè.
3. Karakterizasyon estriktirèl
Figi 3 konpare spectre Raman nan silica fusion ak sa ki diferan hydroxyl. Nan rejyon an 400-1200 cm⁻¹, tou de echantiyon yo montre bann karakteristik tipik silice amorphe fusion. Dapre literati, gwoup la tou pre 440 cm⁻¹ koresponn ak vibrasyon simetrik etann (ω₁) nan lyezon oksijèn Si–O–Si, ki reflete estrikti bag dominan sis -manb nan rezo topolojik vè a; bann ki toupre 800 ak 1060 cm⁻¹ yo atribiye a vibrasyon koube (ω₃) ak vibrasyon etann asimetri (ω₄) Si–O–Si, respektivman.
Diferans remakab yo sitou manifeste nan de aspè. Premyèman, JGS1 montre yon pik byen file nan 3675 cm⁻¹, ki koresponn ak vibrasyon an etann nan lyezon O-H nan gwoup silanol izole (Si-OH), dirèkteman konfime prezans nan yon gwo konsantrasyon nan gwoup idroksil chimikman lye nan echantiyon sa a. Dezyèmman, nan rejyon ki ba -frekans tou pre 594 cm⁻¹, entansite pik karakteristik (D₂ pik) JGS1 siyifikativman pi ba pase sa JGS3; bann sa a plase nan vibrasyon estrikti bag siloxane twa -manb yo. Entansite redwi nan pik D₂ a endike ke entwodiksyon gwoup idroksil preferansyèlman kraze estrikti bag siloxane twa -manm sa yo, detann rezo vè a epi efektivman lage estrès lokal nan rezo a.
Figi 4 prezante spectre transmisyon iltravyolèt vakyòm nan silica fusion ak sa ki diferan hydroxyl. Rezilta yo montre ke JGS3 montre yon gwoup absòpsyon distenk nan 163 nm (7.6 eV), ki koresponn ak sant oksijèn tip I-defisi (ODC-I). Sa a endike ke JGS3 te fabrike anba yon anviwònman ki manke oksijèn-e li te manke ase gwoup idwoksil pou pasive lyezon sa yo ki pandye oswa sant defo. Kontrèman, kwen absòpsyon JGS1 ble -deplase pa 7 nm (soti nan 172 nm a 165 nm), epi pa gen okenn gwoup absòpsyon evidan nan seri 160-180 nm. Amelyorasyon sa a nan transmittance sitou atribiye nan efè a reparasyon nan gwoup idroksil sou topoloji rezo a vè ak domaj. Premyèman, espèk Raman konfime ke estrikti bag twa -manm nan JGS1 redwi (pi ba D₂), ki endike ke entwodiksyon gwoup idroksil diminye pwopòsyon lyezon Si–O–Si. Dezyèmman, pandan preparasyon an, JGS1 ka repare domaj oksijèn-oswa sant absòpsyon optik kosyon ki pandye nan rezo a lè li fòme Si-OH, kidonk diminye absòpsyon limyè nan silica fusion nan rejyon iltravyolèt vakyòm ak lakòz yon chanjman ble nan kwen koupe absòpsyon an.
Konklizyon prensipal yo
Redwi estabilite tèmik nan silica fusion: Mezire aTg nan JGS1 se 1329 K, 64 K pi ba pase sa yo ki nan JGS3 (1393 K); nplis de sa, laCp nan JGS1 se toujou pi wo pase sa yo ki nan JGS3 nan seri tanperati tès la. Sa a se atribiye nan entwodiksyon an nan gwoup idroksil pa kraze kad Si-O-Si pandan fabwikasyon JGS1, ansanm ak mòd Vibration adisyonèl prezante pa gwoup Si-OH.
Anòmal tanperati-konpòtman modil depann: Malgre ke tou de klas silica fusion yo montre yon ogmantasyon modil anomali (dE/dT> 0) ant 300 K ak 1300 K, modil elastik JGS1 toujou pi ba pase JGS3 nan seri sa a. Sa a endike ke entwodiksyon hydroxyl diminye frigidité nan estrikti topolojik rezo a men li pa chanje konpòtman an nan ogmante modil elastik ak tanperati nan silica fusion.
Pwopriyete estriktirèl ak optik: Raman spectre montre ke entansite D₂ bann defo (594 cm⁻¹) nan JGS1 siyifikativman redwi, ak vakyòm iltravyolèt spectre revele ke kwen an koupe nan JGS1 se ble -deplase pa 7 nm konpare ak JGS3 (soti nan 172 nm a 166 nm), elimine ultraviolet nan 165 nm. nm. Sa a montre ke entwodiksyon gwoup idroksil diminye pwopòsyon lyezon Si-O-Si epi repare defo oksijèn-nan rezo a, kidonk diminye absòpsyon limyè silica fusion nan rejyon iltravyolèt vakyòm lan.
