Amorphization of -Quartz under Irradiation

(Received 21 December 1996, revised 9 May 1996, accepted 9 September 1996)

Abstract
The course of radiation induced damage produced in -quartz by neutrons, ions, electrons or photons - commonly known as metamictization - has been re-analyzed by careful comparison of available experimental data. Specific interest was devoted to confront experimental metamict state features with current structural models. It comes out that the metamict state of irradiated quartz should exhibit some structural characteristics of the modulated structure proposed for vitreous silica. The metamictization process is consistent with a structural relaxation process of a highly defective quartz matrix. According to this new point defect analysis, structural relaxation should be triggered by a critical concentration of oxygen vacancy point defects likely to significantly lower the connectivity of the SiO ₂ network. Various experimental results are interpreted by incorporating the influence of the SiO ₂ crystalline polymorph and the influence of the nature of the irradiating particle to the point defect model.

Résumé
Nous avons étudié les modifications de propriétés et de structures de monocristaux de quartz , consécutives à une irradiation sévère par des neutrons, des ions, des électrons ou des photons. Ce phénomène d'altération du quartz sous irradiation porte le nom de métamictisation. Notre travail exploite les recoupements de travaux antérieurs. Une attention particulière a été portée à la confrontation entre les données structurales expérimentales disponibles sur l'état métamicte du quartz et les modèles structuraux proposés. L'état métamicte du quartz présente ainsi les caractéristiques structurales du modèle de structure modulée, avancé pour décrire la structure de la silice thermique. Le mécanisme de métamictisation procéderait par relaxation de la matrice cristalline fortement endommagée. Ce phénomène de relaxation serait initié par l'apparition de concentration critique de défauts ponctuels de type lacunes d'oxygène responsables d'une forte augmentation des degrés de liberté des tétraèdres élémentaires SiO ₄ au sein du crystal. Ce modèle de défaut ponctuel permet, par la prise en compte de la nature de la forme cristalline du dioxyde de silicium et la nature du projectile utilisé, de rendre compte de l'essentiel des donnés expérimentales.