二元碱金属硅酸盐微结构的拉曼光谱研究

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利用拉曼光谱技术和量子化学从头计算研究了二元碱金属硅酸盐的玻璃和熔体的微结构,探讨了各种微结构单元的拉曼光谱特征,深化了对硅酸盐微结构的认识。 利用JYLabRAMHR-800型激光共焦拉曼光谱仪测定了二元硅酸盐Na2O-SiO2系晶体和玻璃的拉曼光谱,结果表明玻璃的结构特征显著不同于晶体单一结构,具有多种微结构单元共存,大体上随着成分中SiO2摩尔分数的增加,硅氧四面体主要微结构单元逐步由单体(Q0)向二聚体(Q1)、链状(Q2)、层状(Q3)、网络状(Q4)转化,同时带来谱峰的展宽和不对称性的增加。研究发现,硅氧四面体的初级结构是由不同连接方式的超精细结构单元组成的,这些精细结构单元具有不同的应力指数(SIT),量子化学计算表明它同拉曼振动频率存在线性关系。将此关系应用于Na2O-SiO2系玻璃拉曼谱,结果表明正是由于不同超精细结构的分布变化和平衡转化造成谱峰的展宽和不对称性增加。 对硅酸盐Na2SiO3由晶体升温到高温熔体的拉曼光谱表明,温度对硅酸盐的微结构影响是存在的。常温下Na2SiO3晶体形成单一结构的链状(Q222),到熔态之后,链状和环状微结构减少,形成了网络状的Q3种类的微结构单元,同时也产生了低波数的Q1种类和分子组合“碎片”Q0微结构单元,导致熔体谱图的展宽。 对二元碱金属硅酸盐M2O·xSiO2(x=1,2,3;M=Li,Na,K,Rb和Cs)的拉曼光谱实验研究表明,不同碱金属阳离子由于它们电负性的差异造成极化力的不同,导致其拉曼谱高频区谱峰的强度随着碱金属阳离子Li+,Na+,K+,Rb+和Cs+顺序逐渐增大。借助量子化学从头计算方法研究表明,碱金属阳离子Li+,Na+,K+,Rb+到Cs+,其极化效应逐渐增大,正是在微观上Si-Onb间的电荷迁移减小,共价性增强,导致其拉曼活性逐渐增大。高频区拉曼谱峰强度的差异正说明拉曼散射强度不仅与硅酸盐玻璃中的硅氧四面体微结构单元有关,还在很大程度上决定于阳离子的种类。
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