分子性液体カルコゲンーハロゲン混合系の動的振舞い

2005年度修士論文発表会
分子性液体カルコゲンーハロゲン混合系の動的振舞い
理学府凝縮系科学専攻
複雑系科学講座III
横田幸信
指導教員：武田信一教授
✦
液体 S63Cl37 内の分子種分布
ラマン散乱実験
高エネルギーX線回折実験
✦
A2X2 分子の挙動
非弾性X線散乱実験
高エネルギーX線回折実験
Contents
✦
序論・・・・・・研究の背景
✦
実験・・・・・・非弾性X線散乱実験
✦
結果と議論・・・動的構造因子 S(Q,E)の解析
✦
結論・・・・・・まとめと考察
Introduction
$%&
!"
#
'*-.,
'($&
#
)*(+,
S2Cl2 !"
S2Cl2 drawing
✦
ハロゲン原子に端部を占められた鎖状構造
✦
S2Br2、Se2Cl2、そして Se2Br2 は A2X2 というS2Cl2と同じ鎖
状分子構造をとる。(A:カルコゲン X:ハロゲン)
A2X2 molecule
Introduction
S2Cl2
experimental data
experimental data
1
1
molecular form factor
0
0
experimental data
1
molecular form factor
molecular form factor
+hard sphere packing
+hard sphere packing
+orientational correlations
10
Å
-1
20
0
0
10
-1
Å
20
0
0
10
Å-1
S分子内の鎖状構造
2Cl2 、S2Br2 は隣接する分子間において、強い配向相関を持つ。
+ 剛体球パッキング
+ 配向相関
X-ray diﬀraction experiments at SPring-8
20
Introduction
フーリエ変換
S(Q,E)
Q=15.5nm-1
F(Q,t)
✦
F(Q,t) を２種類の緩和機構に分割した。
✦
早い緩和は、ハロゲンの種類に依存している。
✦
遅い緩和は、分子量に依存している。
Se2Cl2, Se2Br2, S2Cl2, S2Br2
M.Yao, Y.Kawakita, T.Shiga, I.Yamamoto, H.Endo :J.Phys.Soc.Jpn
66(1997)3115
Inelastic neutron scattering measurements (Yao, et al)
Introduction
知識
✦
隣接する２分子間に強い配向相関がある。
✦
緩和機構が二種類に分離できそう。
✦
中性子散乱実験においては、S-ハロゲン系は非干渉性散乱の
寄与が大きい。
課題
✦
今回
緩和機構のQ依存性が議論されていなかった。
✦
X線非弾性散乱実験を S2Cl2 、S2Br2、 Se2Cl2に対して行う。
✦
Qに依存した緩和機構を議論する。
Experiment
✦
✦
✦
✦
ビームライン: SPring-8 BL35XU
X線: 21.75keV from the Si(11 11 11)
検出器: 8,12 個 (FWHM=1.43 to 1.77meV)
測定点: Q=1.18 ∼ 38.47nm-1 total 72 points
Optics Hutch
Analyzer Hutch
Backscattering Hutch
Si(1 1 1)
Table
(a)
Sample
Position
Analyzer and Detector
Platform at 10m
Si(1 1 1)
Monochromator
S(11 11 11)
Backscattering
Monochromator
Forcussing
Mirror
S(11 11 11)
Analyzer
Detector
Si(1 1 1)
Sample
Si(1 1 1)
(b)
Beamline
Experiment
Tamura type cell
0.25mm
5.5mm
25mm
試料: S2Cl2, S2Br2, Se2Cl2
セル内: Ar,He 雰囲気
セル: 単結晶サファイア
試料厚: S2Cl2=1.0mm
S2Br2=0.1mm
Se2Cl2=0.1mm
測定温度: 25℃
容器内: 真空
内径: 60mm
窓材: カプトンフィルム
Sample and chamber
Experiment
Inner tube
15mm
X-ray
Outer tube
20mm
Sample
SCl 1.0mm
SBr 0.1mm
0.25
0.25
2.5
5.5
4.5
セルタイプA
0.25
0.25
Sample
SBr 0.1mm
SeCl 0.1mm
X-ray
X-ray
5.5
セルタイプB
Sample and chamber
Experiment
Cock C
Sample
Brass
Ar atmosphere
Sample
X-ray
X-ray
25mm
セルタイプA
セルタイプB
Sample and chamber
Experiment
Gas inlet
Gas inlet
To pump
60
136
To pump
60
136
Sample set A
Capton window
Sample set B
Capton window
X-ray
Sample stage
50
X-ray
Sample stage
50
100
セルタイプA
100
セルタイプB
Sample and chamber
Discussion
0.8
1.4
0.7
1.2
0.6
S2Cl2
0.5
0.8
0.4
0.6
0.3
0.2
0.4
0.1
0.2
0
-30
Se2Cl2
1
-20
-10
0
E(meV)
10
20
30 0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
-30
-20
-10
E(meV)
Q (nm-1)
0
10
20
0.8
0.7
S2Br2
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
-30
-20
-10
E(meV)
0
10
20
30 0
5
10
15
20
25
30
35
40
Q (nm-1)
Dynamic structure factor S(Q,E)
30 0
10
20
30
40
50
Q (nm-1)
60
70
Discussion
#
9
F(Q,t)/F(Q,0)
F(Q,t)/F(Q,0)
1
Q=11.07nm-1
Q=11.70nm-1
Q=17.11nm-1
Q=22.48nm-1
Q=27.83nm-1
Q=33.16nm-1
Q=37.13nm-1
8
7
6
5
4
)
(
Se2Cl2
&
%
2
0.1
*
'
S2Cl2
3
+
Q=11.07nm-1
Q=11.70nm-1
Q=17.11nm-1
Q=22.48nm-1
Q=27.83nm-1
Q=33.16nm-1
Q=37.13nm-1
Q=50.88nm-1
Q=62.75nm-1
$
0
1
2
3
4
t (psec)
5
!"#
!
#
$
%
F(Q,t)/F(Q,0)
1
9
8
Q=11.70nm-1
Q=17.11nm-1
Q=22.48nm-1
Q=27.83nm-1
Q=33.16nm-1
Q=37.13nm-1
7
6
5
4
S2Br2
3
2
0.1
0
1
2
3
4
t (psec)
5
Intermediate scattering function F(Q,t)
&
t (psec)
'
Discussion
フーリエ変換
F(Q,t)
S(Q,E)
ガウス関数
+
指数関数
ガウス関数
+
ローレンツ関数
Fourier transform
-3
10
&
(
!
*(
&*
residual
!"#
!"$
)$! !
*'
+)! !
10
-3
Discussion
quasielastic peak
gaussian
lorentzian
gau+lor fitting
!"%
S2Br2
!"&
Q=18.45nm
'
(
#
!
&#
!"#!
!"$%
-1
residual
quasielastic peak
gaussian
lorentzian
gau+lor fitting
S2Br2
Q=31.83nm-1
!"$!
!"'
!"(
!"!%
!")
!"!!
!"!
*)!
!
)!
(!
meV
&#!
&$!
!
$!
(%
)'! !
10
-3
*(!
$
&
!
(&
residual
!"#
!"$
!"%
quasielastic peak
gaussian
lorentzian
gau+lor fitting
S2Br2
Q=21.14nm-1
!"&
!"'
!"!
(&!
('!
!
'!
&!
meV
The quasielastic peak fitted by two functions
#!
meV
Discussion
1.4
experimental data
sq_bl04b2
1.2
1
sq_gau
1.2
sq_lor
1.0
1.0
S2Cl2
0.8
0.8
molecular form factor
sq_bl35xu
0
0.6
0
0.6
0.4
10
Å-1
sq_lor
0.4
0.2
Se2Cl2
experimental data
0.2
0.0
1
0
1.4
10
20
30
40
1.0
0.0
nm-1
8
12
16
20
24
molecular form factor
+hard sphere packing
sq_bl04b2
sq_gau
sq_lor
1.2
0
0
10
Å-1
20
S2Br2
0.8
experimental data
0.6
1
0.4
0.2
0.0
sq_gau
20
molecular form factor
+hard sphere packing
0
10
20
30
nm-1
40
+orientational correlations
0
0
10
The two kinds of structures
Å-1
20
28
32
nm-1
36
Conclusion
S Cl , S Br , そして Se Cl
✦得ることが出来た。
2
2
2
2
2
2
に対する精度の良い動的構造因子S(Q,E) を
Se Cl の緩和時間は、S系物質に比べて長いことがわかった。これは、
✦Se原子の4P軌道に存在する孤立電子対の影響だと思われる。
2
まとめ
2
S系物質の準弾性ピークは、ガウス関数とローレンツ関数でフィッティ
✦ングが出来、静的構造因子S(Q)との適合も見られた。
ガウス関数で表される準弾性ピークは、剛体球の自由粒子的な並進運動
✦に対応していると思われる。ローレンツ関数は、配向相関に関する相互
作用の強い緩和現象に対応している。

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