Origin, spectral characteristics and practical applications of the cathodoluminescence (CL) of quartz – a review |
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| Authors: | J Götze M Plötze D Habermann |
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| Institution: | (1) Department of Mineralogy, TU Bergakademie Freiberg, Federal Republic of Germany, DE;(2) Department of Geotechniques, ETH Zürich, Switzerland, CH;(3) Department of Experimental Physics, TU Bergakademie Freiberg, Federal Republic of Germany, DE |
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| Abstract: | Summary Investigations of natural and synthetic quartz specimens by cathodoluminescence (CL) microscopy and spectroscopy, electron
paramagnetic resonance (EPR) and trace-element analysis showed that various luminescence colours and emission bands can be
ascribed to different intrinsic and extrinsic defects.
The perceived visible luminescence colours in quartz depend on the relative intensities of the dominant emission bands between
380 and 700 nm. Some of the CL emissions of quartz from the UV to the yellow spectral region (175 nm, 290 nm, 340 nm, 420 nm,
450 nm, 580 nm) can be related to intrinsic lattice defects. Extrinsic defects such as the alkali (or hydrogen)-compensated
AlO4/M+] centre have been suggested as being responsible for the transient emission band at 380–390 nm and the short-lived blue-green
CL centered around 500 nm. CL emissions between 620 and 650 nm in the red spectral region are attributed to the nonbridging
oxygen hole centre (NBOHC) with several precursors.
The weak but highly variable CL colours and emission spectra of quartz can be related to genetic conditions of quartz formation.
Hence, both luminescence microscopy and spectroscopy can be used widely in various applications in geosciences and techniques.
One of the most important fields of application of quartz CL is the ability to reveal internal structures, growth zoning and
lattice defects in quartz crystals not discernible by means of other analytical techniques. Other fields of investigations
are the modal analysis of rocks, the provenance evaluation of clastic sediments, diagenetic studies, the reconstruction of
alteration processes and fluid flow, the detection of radiation damage or investigations of ultra-pure quartz and silica glass
in technical applications.
Zusammenfassung
Ursachen, spektrale Charakteristika und praktische Anwendungen der Kathodolumineszenz (KL) von Quarz – eine Revision
Untersuchungen von natürlichen und synthetischen Quarzproben mittels Kathodolumineszenz (KL) Mikroskopie und -spektroskopie,
Elektron Paramagnetischer Resonanz (EPR) und Spurenelementanalysen zeigen verschiedene Lumineszenzfarben und Emissionsbanden,
die unterschiedlichen intrinsischen und extrinsischen Defekten zugeordnet werden k?nnen.
Die sichtbaren Lumineszenzfarben von Quarz werden durch unterschiedliche Intensit?tsverh?ltnisse der dominierenden Emissionsbanden
zwischen 380 und 700 nm verursacht. Einige der KL Emissionen vom UV bis zum gelben Spektralbereich (175 nm, 290 nm, 340 nm,
420 nm, 450 nm, 580 nm) stehen im Zusammenhang mit intrinsischen Defekten. Die kurzlebigen Lumineszenzemissionen bei 380–390 nm
sowie 500 nm werden mit kompensierten AlO4/M+]-Zentren in Verbindung gebracht. Die KL-Emissionen im roten Spektralbereich bei 620 bis 650 nm haben ihre Ursache im “nonbridging
oxygen hole centre” (NBOHC) mit verschiedenen Vorl?uferzentren.
Die unterschiedlichen KL-Farben und Emissionsspektren von Quarz k?nnen oft bestimmten genetischen Bildungsbedingungen zugeordnet
werden und erm?glichen deshalb vielf?ltige Anwendungen in den Geowissenschaften und in der Technik. Eine der gravierendsten
Einsatzm?glichkeiten ist die Sichtbarmachung von Internstrukturen, Wachstumszonierungen und Defekten im Quarz, die mit anderen
Analysenmethoden nicht oder nur schwer nachweisbar sind. Weitere wesentliche Untersuchungsschwerpunkte sind die Modalanalyse
von Gesteinen, die Eduktanalyse klastischer Sedimente, Diageneseuntersuchungen, die Rekonstruktion von Alterationsprozessen
und Fluidmigrationen, der Nachweis von Strahlungssch?den oder die Untersuchung von ultrareinem Quarz und Silikaglas für technische
Anwendungen.
Received March 29, 2000 Accepted October 27, 2000 |
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