シリカガラス表面および表面付近の構造変化

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1 シリカガラス表面および表面付近の構造変化
福井大学 工学部 葛生 伸

2 直接法合成シリカガラスの仮想温度，OH濃度分布による均質化
S. Yamagata, J. Ceram. Soc. Jpn. 100, 337 (1992)

3 シリカガラス製品の製造および使用条件 シリカガラス製品製造工程 ⇒ 構造変化 熱処理 ⇒ 除歪，成型，製管，均質化
製品使用時の熱履歴・光暴露 ⇒ 構造変化 半導体製造用炉心管 バルク ランプ管球 表面付近 紫外線用光学材料 重要であるが研究少ない。

4 熱処理に伴うOH分布の変化 z r Radial direction r Axial direction z 1160 ﾟC, 150 h
7 cm 15 cm r z Radial direction r Axial direction z N. Kuzuu, J. W. Foley, and N. Kamisugi, J. Ceram. Soc. Jpn. 106, 525 (1998)

5 熱処理に伴う表面付近からの欠陥構造の生成

6 IV型シリカガラスをH2雰囲気中で熱処理した後のOH分布
H2, 1 atm, 24 h J. E. Shelby, J. Appl. Phys. 51, 2589 (1980)

7 赤外反射および吸収スペクトル ⇒ 表面付近の情報 ⇒ バルクの情報 1122 cm-1 ピーク ← Si-O-Si結合の非対称振動 モード
　　モード ⇒ バルクの情報 2260 cm-1 ピーク ← 1122 cm-1 ピークの倍音 A. Agarwal, K. M. Davis, and M. Tomozawa, J. Non-Cryst. Solids, 185, 191 (1995)

8 参考： 1160 cm－1反射ピーク位置とSi-O-Si結合角との関係
nref : 反射スペクトルから得られたピーク位置 n : Kramers-Krönigの関係式から得られたピーク位置 q : Si-O-Si結合角 m = ×10-26 kg : 酸素原子の質量 a = ×10-12 s/cm a = 600 N/m b = 100 N/m A. Agarwal, K. M. Davis, and M. Tomozawa, J. Non-Cryst. Solids, 185, 191 (1995)

9 赤外ピーク位置の熱処理時間依存性 (異なる仮想温度から出発)
赤外ピーク位置の熱処理時間依存性　(異なる仮想温度から出発) 表面の方が速く緩和 A. Agarwal, K. M. Davis, and M. Tomozawa, J. Non-Cryst. Solids, 185, 191 (1995)

10 赤外ピーク位置の熱処理時間依存性 表面の方が 速く緩和 表面 バルク ▼▽ タイプ III ○ 無水 (VAD)
　速く緩和 ▼▽ タイプ III 　○ 無水 (VAD) バルク A. Agarwal, K. M. Davis, and M. Tomozawa, J. Non-Cryst. Solids, 185, 191 (1995)

11 表面構造緩和の水蒸気圧依存性 水蒸気圧が高くなると緩和が速くなる 355 Torr 0.3 Torr
M. Tomozawa, Y.-L. Peng, and A. Agarwal, J. Non-Cryst. Solids, 185, 191 (1995)

12 表面構造緩和に対する応力及び水蒸気圧の効果
M. Tomozawa, Y.-L. Peng, and A. Agarwal, J. Non-Cryst. Solids, 185, 191 (1995)

13 2260 cm-1 付近のピーク高さの熱処理時間依存性
1000 ﾟC, 335 Torr A. Agarwal　and M. Tomozawa, J. Non-Cryst. Solids, 209, 264 (1997)

14 2260 cm-1 付近のピーク高さの熱処理時間依存性
1000 ﾟC, 335 Torr, 1.5 h A. Agarwal　and M. Tomozawa, J. Non-Cryst. Solids, 209, 264 (1997)

15 酸水素火炎による球球状成型にともなう構造変化
f80 mm f90 mm f34 mm f27 mm Measured Area Hydrogen-Oxygen Flame 材質 ＧＥ214 (無水電気溶融石英ガラス)

16 酸水素バーナー加工に伴う管断面のOH濃度分布変化

17 ラマンスペクトルと平面環状構造 D1 D2 D1 495 cm-1 平面６員環構造 D2 606 cm-1 平面8員環構造
●： Ｓｉ， ○: Ｏ

18 酸水素バーナー加工前後のラマンバンドD1，D2強度の断面分布

19 酸水素パーナー加工後の 管断面での紫外吸収スペクトル 外周部では5.0 eV吸収帯が消滅

20 シリカガラス研削表面の発光スペクトル 1.9 eV： ≡Si-O・ 2.7 eV： ≡Si･･･Si≡