Имплантация ионов железа в кристаллическую структуру природного горного хрусталя

А.В. Мухаметшин¹, А.И. Гумаров¹, И.В. Янилкин¹, И.Р. Вахитов¹, В.И. Нуждин², Ф.Г. Вагизов¹, О.Н. Лопатин¹, Р.И. Хайбуллин², Л.Р. Тагиров¹

¹Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

²Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН, г. Казань, 420029, Россия

Полный текст PDF

Аннотация

Проведена имплантация ионов железа с дозой облучения 1.0∙10¹⁷ и 1.5∙10¹⁷ ион/см² в бесцветные кристаллы природного кварца (горного хрусталя). Выявлено радикальное изменение окраски кристаллов. Комплексом современных физико-химических методов изучена природа наведённой окраски. Показана возможность геммологического облагораживания кварца методом ионно-лучевого воздействия. Природа наведённой окраски изучена комплексом современных физико-химических методов, таких как абсорбционная оптическая спектроскопия, мёссбауэровская спектроскопия, рентгеновсая фотоэлектронная спектроскопия. Установлено, что высокодозная имплантация приводит к появлению в приповерхностном слое матрицы различного рода структурных дефектов, электронно-дырочных центров, а также к образованию на определенной глубине облученной матрицы ультрадисперсной фазы металлического железа, некогерентной структуре исходной матрицы. Последующий высокотемпературный отжиг имплантированного кварца приводит к изменению окраски образцов на оранжево-желтую. Насыщенность оранжевой окраски термообработанных образцов возрастает с увеличением количества внедренной в кристалл примеси железа. Предполагается, что термическая обработка имплантированных образцов в кислородной атмосфере приводит к окислению железа и формированию в кварцевой матрице наноразмерных частиц гематита. Показана возможность геммологического облагораживания кварца методом ионно-лучевого воздействия.

Ключевые слова: кварц, горный хрусталь, цитрин, ионная имплантация, мёссбауэровская спектроскопия, ювелирно-поделочные камни

Литература

1. Брэгг У., Кларингбулл Г. Кристаллическая структура минералов. - М.: Мир, 1967. – 391 с.
2. Риссел Х., Руге И. Ионная имплантация. - М.: Наука, 1983. - 360 с.
3. Perez A., Marest G., Sawicka B.D., Sawicki J.A., Tyliszak T. Iron-ion-implantation effects in MgO crystals // Phys. Rev. B. - 1983. - V. 28, Nо 3. - P. 1227-1238.
4. Sakamoto I., Honda S., Tanoue H., Hayashi N., Yamane H. Structural and magnetic properties of Fe ion implanted Al₂O₃ // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B. - 1999. - V. 148, Nо 1-4. - P. 1039-1043. – doi: 10.1016/S0168-583X(98)00686-7.
5. Ohkubo M., Hioki T., Kawamoto J. Recrystallization-driven migration of implanted ions in sapphire and resultant-oriented precipitation // J. Appl. Phys. – 1986. - V. 60, Nо 4. - P. 1325-1335. – doi: 10.1063/1.337305.
6. Szucs I., Dezsi I., Fetzer Cs., Langouche G. Iron implantation in gadolinium gallium garnet studied by conversion-electron Mossbauer spectroscopy // J. Phys.: Condens. Matter. – 1998. – V. 10. – P. 101–110.
7. Townsend P.D., Chandler P.J., Zhang L. Optical effects of ion implantation. – Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1994.–- 280 p.
8. Лопатин О.Н. Ионная имплантация минералов и их синтетических аналогов. – Saabruken: Изд. дом LAP. 2011. – 206 c.
9. Лопатин О.Н., Николаев А.Г., Хайбуллин Р.И. Ионно-лучевая модификация свойств природных алмазов. – Saabruken: Изд. дом LAP, 2013. – 125 c. 
10. Ивойлов Н.Г., Чистяков В.А., Хрипунов Д.М., Дулов Е.Н., Петухов В.Ю.,  Ибрагимова М.И. Ферромагнитные свойства кластеров Fe-Si, полученных имплантацией ионов железа в кремний // Изв. РАН. Сер. физ. – 1999. – Т. 63, Вып. 7. – С. 1435–1439.
11. Kurmaev E.Z., Zatsepin, D.A., Cholakh S.O., Schmidt B., Harada Y., Tokushima T., Osawa H., Shin S., Takeuchi T. Iron nanoparticles in amorphous SiO₂: X-ray emission and absorption spectra // Phys. Solid State. – 2005 – V.  47, No 4. – P. 754–757. – doi: 10.1134/1.1913992.
12. Fanciulli M., Rosenblad C., Weyer G., von Kanel H., Onda N. Conversion electron Mössbauer spectroscopy study of iron disilicide films grown by MBE // Thin Solid Films. – 1996 – V. 275, No 1–2. – P. 8–11. – doi: 10.1016/0040-6090(95)07008-7.
    
13. Wagner C.D. Handbook of X-ray photoelectron spectroscopy. – Minnesota: Perkin-Elmer, 1979. – 192 p.
14. XPS Simplified. – URL: http://xpssimplified.com/ elements/iron.php, свободный.
    
15. Biesinger M.C., Paynec B.D., Grosvenor A.P., Laua L.W., Gersonb A.R., Smart R. Resol­ving surface chemical states in XPS analysis of first row transition metals, oxides and hydroxides: Cr, Mn, Fe, Co and Ni // Appl. Surf. Sci. – 2011. – V. 257, No. 7. – P. 2717–2730. – doi: 10.1016/j.apsusc.2010.10.051.
16. Mills P., Sullivan J.L. A study of the core level electrons in iron and its three oxides by means of X-ray photoelectron spectroscopy // J. Phys. D: Appl. Phys. – 1983. – V. 16, No 5. – P. 723–732. – doi: 10.1088/0022-3727/16/5/005.

Поступила в редакцию

28.12.16

Мухаметшин Адиб Вильдарович, ассистент кафедры минералогии и литологии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: adib.mv@gmail.com

Гумаров Амир Ильдусович, инженер кафедры физики твердого тела

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: amir@gumarov.ru

Янилкин Игорь Витальевич, лаборант-исследователь кафедры физики твердого тела

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: yanilkin-igor@yandex.ru

Вахитов Искандер Рашидович, инженер кафедры физики твердого тела

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: ujay@mail.ru

Нуждин Владимир Иванович, старший научный сотрудник лаборатории радиационной физики

Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН

ул. Сибирский тракт, д. 10/7, г. Казань, 420029, Россия

E-mail: nuzhdin@kfti.knc.ru

Вагизов Фарит Габдулхакович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики твердого тела

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: vagizovf@gmail.com

Лопатин Олег Николаевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры минералогии и литологии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: Oleg.Lopatin@kpfu.ru

Хайбуллин Рустам Ильдусович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории радиационной физики

Казанский физико-технический институт им. Е.К. Завойского КазНЦ РАН

ул. Сибирский тракт, д. 10/7, г. Казань, 420029, Россия

E-mail: rik@kfti.knc.ru

Тагиров Ленар Рафгатович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры физики твердого тела

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: ltagirov@mail.ru

Для цитирования: Мухаметшин А.В., Гумаров А.И., Янилкин И.В., Вахитов И.Р., Нуждин В.И., Вагизов Ф.Г., Лопатин О.Н., Хайбуллин Р.И., Тагиров Л.Р. Имплантация ионов железа в кристаллическую структуру природного горного хрусталя // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2017. – Т. 159, кн. 1. – С. 5–20.

For citation: Mukhametshin A.V., Gumarov A.I., Yanilkin I.V., Vakhitov I.R., Nuzhdin V.I., Vagizov F.G., Lopatin O.N., Khaibullin R.I., Tagirov L.R. Iron-ion implantation into the structure of rock crystal. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2017, vol. 159, no. 1, pp. 5–20. (In Russian)

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.