Регистрация / Вход
Прислать материал

Синтез и исследование иттриево-железных гранатов, допированных неодимом

Сведения об участнике
ФИО
Паранюк Александр Романович
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Химия и химические технологии
Раздел области наук
Неорганическая и координационная химия. Аналитическая химия неорганических соединений
Тема
Синтез и исследование иттриево-железных гранатов, допированных неодимом
Резюме
В данной работе представлены результаты исследования серии соединений иттриево-железного граната, замещенного неодимом. Разработаны методики синтеза четырех соединений со структурой минерала граната по реакциям в твердой фазе. С помощью метода Ритвельда установлена структура и изучено распределение атомов в кристаллической решетке. Методом низкотемпературной рентгенографии изучено тепловое расширение некоторых гранатов. Методами ИК и КР спектроскопии проведено отнесение полос и установлены корреляции со структурными данными.
Ключевые слова
Гранат, низкотемпературная рентгенография, тепловое расширение, кристаллическая структура, колебательная спектроскопия
Цели и задачи
Целью данной работы является синтез и комплексное физико-химическое исследование сложных оксидов со структурой минерала граната.
Задачи:
1. Оптимизация методов синтеза сложных оксидов со структурой минерала граната.
2. Изучение кристаллической структуры методами рентгенофазового анализа, мессбауэровской и колебательной спектроскопии.
3. Исследование температурного расширения методом низкотемпературной рентгенографии.
Введение

Ферромагнетики со структурой минерала граната привлекают внимание исследователей как материал для магнитооптических и микроволновых устройств. Данные соединения кристаллизуются в кубической пространственной группе Ia-3d. Ячейка данной структуры включает 8 формульных единиц состава {R3+3}c[R3+2]a(R3+3)dO2-12, где c, a и d представляют соответственно додекаэдрические, октаэдрические и тетраэдрические позиции. Иттриево-железный гранат (ИЖГ) с формулой Y3Fe5O12 активно изучается в связи с его интересными электрическими, магнитными и магнитооптическими свойствами. Он получил широкое применение в полосно-заграждающих и полосно-пропускающих фильтрах, изоляторах и синтезаторах частот в широком частотном диапазоне. 

Методы и материалы

Методы синтеза: твердофазный синтез при 1200С.

Методы исследования: рентгенофазовый анализ, полнопрофильный рентгеновский анализ, низкотемпературная рентгенография, рамановская и ИК-спектроскопия.

Использованные материалы: оксиды иттрия (III), неодима (III) и железа (III).

Описание и обсуждение результатов

Низкотемпературные рентгенографические исследования гранатов

         Методом низкотемпературной рентгенографии были впервые определены температурные зависимости параметров элементарной ячейки и коэффициенты теплового расширения для всех синтезированных соединений. Для решения этой задачи проводили аппроксимацию зависимостей параметров элементарной ячейки от температуры параболическими функциями. В качестве примера представлена зависимость a = f(T) для соединения Y3Fe5O12.  По найденным значениям коэффициента теплового расширения можно сделать вывод, что данные гранаты относятся к группе среднерасширяющихся соединений.

Кристаллическая структура

         Структура соединений состава Y3-xNdxFe5O12 соответствует пространственной группе Fd-3m. Исходная модель содержит координаты атомов в структуре Y3Al5O12. Подробности рентгенографических исследований и данные, полученные при расшифровке структуры приведены в таблице 5. 

Измеренные данные хорошо согласуются с рассчитанными. Табл. 5 содержит координаты атомов и их изотропные тепловые параметры. Рассчитанная рентгенограмма показывает смещение относительно измеренных данных. Рассчитанная модель имеет положительные значения изотропного теплового параметра B для всех атомов. Рис. 4 представляет собой фрагмент структуры Y3Fe5O12. Катионы Y/Nd расположены в позициях Вайкоффа 24c (1/8, 0, 1/4), катионы Fe в позициях 16a (0, 0, 0) и 24d (3/8, 0, 1/4), а атомы O в позициях 96h (x, y, z).

Спектроскопические исследования

         Y3Fe5O12 и Nd3Fe5O12  кристаллизуются в пространственной группе Ia-3d. В соответствии с правилами отбора ожидаются следующие моды оптических колебаний: 3A1g+5A1u+5A2g+5A2u+8Eg+10Eu+14F1g+ 17F1u+14F2g+16F2u. Среди них 25 мод ( 3A1g+8Eg+14F2g) активны в рамановском диапазоне и 17 мод (17F1u) в ИК-диапазоне.

Полученные рамановские и ИК-спектры изучаемых соединений (рис. 5 и 6) показывают наличие 20 рамановских и 17 ИК-полос. Количество ИК полос соответствует ожидаемому, а количество рамановских полос немного меньше, что объясняется их слабой интенсивностью и/или перекрыванием с более сильными полосами.

Во-первых, большинство полос показывает явное смещение в сторону меньших волновых чисел с увеличением концентрации ионов Nd3+. Такое поведение может быть связано с увеличением размера элементарной ячейки под влиянием добавления катионов Nd3+ из-за их большего размера (1.109 Å) по сравнению с катионами Y3+ (1.019 Å ). Важно отметить, что среди наблюдаемых мод наименьшее смещение показывают свободные колебания. Во-вторых, рамановские и ИК полосы показывают значительное уширение при увеличении концентрации неодима. Такое уширение может быть отнесено к статистическому распределению Nd3+ в позициях Y3+, то есть, статическому беспорядку в позициях редкоземельных элементов.

Используемые источники
6. M. Niyaifar, A. Beitollahi, N. Shiri, M. Mozaffari, J, Amighian, J. of Magnetism and Magnetic Materials 322 (2010) 777-779
7. WANG Jiaqian, YANG Jian, JIN Yulong, QIU Tai, J. of Rare Earths, vol.29, No.6, Jun. 2011, P.562
8. S. Geller, M. A. Gilleo, J. Phys. Chem. Solids 3 (1957) 30.
9. M. A. Gilleo, S. Geller, Phys. Rev. B 110 (1958) 73.
10. C. Suchomski, C. Reitz, C. T. Souza, J. P. Araujo, T. Brezesinski, Chem. Mater. 25 (2013) 2527.
11. L. Guo, K. Huang, Y. Chen, G. Li, L. Yuan, W. Peng, H. Yuan, S. Feng, J. Solid State Chem. 184 (2011) 1048.
12. P. B. A.Fechine, E. N. Silva, A. S. de Menezes, J. Derov, J. W. Stewart, A. J. Drehman, I. F. Vasconcelos, A. P. Ayala, L. P. Cardoso, A. S. B. Sombra, J. Phys. Chem. Solids 70 (2009) 202.
13. M. Nicol, J.F. Durana, J. Chem. Phys. 54 (1971) 1436.
Information about the project
Surname Name
Paranyuk Alexander
Project title
Synthesis and investigation of Nd-doped Yttrium Iron Garnet
Summary of the project
This work represents results of investigation of series of yttrium-iron garnets (YIG), doped by Nd. Established methods of syntesis for four compounds with garnet structure by solid state reactions. Structure and atom distribution for all samples were estimated by Rietvield X-ray analysis. Thermal expansion of all samples was investigated by low-temperature X-ray analysis. Raman and IR-spectroscopy analysis were performed, correlation with structure data was carried out.
Keywords
Garnet, low-temperature X-ray analysis, thermal expansion, crystal structure, Raman and IR-spectroscopy