IR spectra ofpyroxene polymorphs
粉体試料を用いた反射率測定の試み
Hiroki Chihara
Dept. of Earth & Space Science,
Osaka University

鉱物の名前 ： 構造と化学組成で決まる
Silicateとは?
SiO4の正四面体を基本構造としてもつ物質
SiO4正四面体の繋がり方で分類される
かんらん石

1 Isolated silicate: Olivine

2 Chain silicate: Pyroxene 輝石

3 Ring silicate: Melilite

黄長石？

4 Framework silicate : Feldspar 長石
5 Sheet silicate: Mica粘土／雲母olivineやpyroxeneは実は構造の名前

Silicateの化学組成
固溶体（Solid-Solution)
SiO4四面体が作る構造の隙間（M site)には様々な金属イオンが入ることが出来る
場合によっては、Siが別の元素（たとえばAlなど）に変わる場合もある• Stoichiometry(化学量論性）を保つこと• 電荷バランスがcompensateされること• 格子の隙間に入れるイオン半径

Pyroxene - chain silicate
SiO4四面体は二つの角(架橋酸素）を使って、C軸方向に1次元的に伸びているPyroxene 固溶体 ; M2T2O6
Wollastonite
CaSiO3

M siteにはMg,Fe,Ca,Liなどが入る

パイロキシノイド

天文ではMgとFeとCaを考えれば十分（右図：Pyroxene 台形）

Diopside
CaMgSi2O6

Hedenbergite
CaFeSi2O6
Pyroxene

MgO+FeO と、SiO2が1：1の化学量論比

Enstatite
MgSiO3(Mg,Fe)SiO3 , MgxFe1-xSiO3Ferrosilite
FeSiO3

enstatite polymorph
enstatiteの主な多形（結晶の対称性が異なる）
ortho-enstatite : 斜方晶（マッチ箱型）
clino-enstatite : 単斜晶（ひしゃげたマッチ箱の外箱）
proto-enstatite : 斜方晶～980℃以上の準安定相
quench不可能(常温常圧で存在しない）
その他： 積層欠陥をもつHAS (Murata et al. 2009）(Heated Amorphous Silicates)

Absorption spectrum of HAS (Murata et al. 2009)
NGC44179

MWC922• 遠赤外の吸収ピークは, ortho でもclinoでもない• 19 um と26 umのピークが弱い• 70 umにブロードなピークがある• 低温にすると 48 umにピークが現れる

従来の単結晶を用いるよりも観測と整合性がある
星周環境のエンスタタイトは、きれいな結晶ではなく、構造欠陥を持つ可能性エンスタタイトの量の見積もりにも影響？

High density stacking faults in HAS(Murata et al. 2009)

Transmission electron microscope
images and selected area electron
diffraction patterns of (A) enstatite in
the sample in this study and (B) fine
powdered single crystal ofclinoenstatite viewed parallel to a∗axis.

反射率スペクトル → 複素誘電率 → 光学定数

 - 数mmφ以上のバルク単結晶が必要- 固溶体の単結晶は、端成分しか合成できない→ 粉体試料の光学定数は普通は得られない- sample preparationが面倒（e.g. 結晶軸の決定、切り出し、研磨）- 偏光子による光量減少 → S/N低下- Lorentz fittingによる (n, k) の導出は一般に困難（パラメータが多すぎる）- 観測スペクトルと直接比較できるわけではない 固体の物性のみに基づく正確な光学特性が得られる（はず）!

To reproduce spectra in various conditions,optical constants (n, k) are fundamental.
Eq. of motion forforced vibration

2d xdxm 2 = −mω0 x − mγ+ eE
dt
dt
restoringforce

general solution

damping
force

force inducedby ext. fieldeE
x=m(ω02 − ω 2 − iγω ) ←Lorentz function↓Dielectric function

Poralizability

P = Nex = ε 0 E (ε − 1) = ε 0 E{(ε 1 + iε 2 ) − 1}

Reflectance ; R
R=(n − 1) + k 2=2222()
n+1+k
ε − sin θ + cos θε − sin 2 θ − cos θ 22

optical constants ; (n, k)Dielectric function ;ε=ε1+iε2ε 1 (ω ) = 1 +( Ne mε 0 )(ω − ω )(ω02 − ω 2 ) 2 + γ 2ω 2220( Ne 2 mε 0 )γωε 2 (ω ) =(ω02 − ω 2 ) 2 + γ 2ω 2

ε1 = n 2 − k 2
ε2 = 2n k2

n=k =ε 12 + ε 22 + ε 12ε 12 + ε 22 − ε 12圧縮して作成したペレットを研磨してみる• Sol-Gel powders (MgSiO3 ) werepressed into pellet φ=13 mm• heated at 800 ℃ for 18-20 hrs• polished by 1um diamond• Reference : gold-mirror• non-polarized source• beam radius : φ=5 mm• incident angle : 10 degree多孔質なのでそもそも研磨できない (; _ ;)Reflection / %10SolGel Xst. 800℃ 18hr.
50Reflectance

1.05678 9 102030405060 70 80 90100

TSSG orthoenstatite

0.8
0.6
0.4
0.20.05678 9 102030

wavelength / um

405060 70 80 90100

そもそも研磨は可能なのか?
ファインセラミクスの強度と稠密性を増す方法• アモルファス出発物質の加熱時間を分割• そのつど細粒にして圧縮と加熱を繰り返す• 出発物質：SolGel法+フリーズドライ法による
Enstatite組成の非晶質• 温度、加熱時間
８００℃
6 + 6 + 12 = 20 時間加熱

Comparison with HASMurata et al. 2009
RT200 K
100 K
9KThis work
CDE w/ 70um
CDE w/o 70um

κ [ cm2 / g ]

1000

100

1020304050

wavelength [ um ]607080 90 100

Summary•

予測より強度が小さいのは散乱の影響か•

吸収測定との比較では、スペクトルの形は再現できているが、定量性は不十分•

ビームが小さく高輝度な光源（e.g. SPring8などの放射光施設）の利用が必要かも