Origin, spectral characteristics and practical applications of the cathodoluminescence (CL) of quartz – a review

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 können.

Die sichtbaren Lumineszenzfarben von Quarz werden durch unterschiedliche Intensitätsverhältnisse 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 Vorläuferzentren.

Die unterschiedlichen KL-Farben und Emissionsspektren von Quarz können oft bestimmten genetischen Bildungsbedingungen zugeordnet werden und ermöglichen deshalb vielfältige Anwendungen in den Geowissenschaften und in der Technik. Eine der gravierendsten Einsatzmöglichkeiten 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 Strahlungsschäden oder die Untersuchung von ultrareinem Quarz und Silikaglas für technische Anwendungen.