Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Telegram: sibac
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: IV Международной научно-практической конференции «Научное сообщество студентов: МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ» (Россия, г. Новосибирск, 22 августа 2016 г.)

Наука: Химия

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Фельцингер Л.С., Черных Г.И., Туркина Е.С. СОСТОЯНИЕ АТОМОВ ЖЕЛЕЗА И ОБМЕННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В Bi5Nb3-3xFe3xO15-δ // Научное сообщество студентов: МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ: сб. ст. по мат. IV междунар. студ. науч.-практ. конф. № 4(1). URL: https://sibac.info/archive/meghdis/1(4).pdf (дата обращения: 16.05.2022)
Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

СОСТОЯНИЕ АТОМОВ ЖЕЛЕЗА И ОБМЕННЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В Bi5Nb3-3xFe3xO15-δ

Фельцингер Любовь Сергеевна

студент, кафедры химии СыктГУ, г. Сыктывкар

Черных Галина Ивановна

студент, кафедры химии СыктГУ, г. Сыктывкар

Туркина Елизавета Сергеевна

студент, кафедры химии СыктГУ, г. Сыктывкар

Жук Надежда Алексеевна

научный руководитель,

канд. химических наук, доцент СыктГУ, г. Сыктывкар

Исследована магнитная восприимчивость железосодержащих твердых растворов со слоистой перовскитоподобной структурой Bi5Nb3-3xFe3xO15-δ. Обнаружено образование в твердых растворах обменно-связанных агрегатов из атомовFe(III) с антиферро- и ферромагнитным типом обмена..

 

Большинство висмутсодержащих соединений со слоистой перовскитоподобной структурой, аналогов так называемых фаз Ауривиллиуса, проявляют сегнетоэлектрические свойства и в этой связи представляют практический и теоретический интерес [4, 8, 9]. Состав таких соединений описывается общей формулой (Bi2O2)(An-1BnO3n+1), где Bi2O2- висмутокислородные слои, образованные пирамидами BiO4 и связанные между собой ребрами оснований, а An-1BnO3n+1– перовскитоподобные фрагменты, состоящие из связанных вершинами октаэдров ВO6 с размещением крупных катионов А в кубоктаэдрических пустотах между ними. Величина коэффициента n в этой формуле соответствует числу октаэдров BO6 по толщине перовскитоподобного фрагмента и может изменяться от 1 до 5[4, 8].

Ниобат висмута Bi5Nb3O15 относится к смешанным слоистым соединениям, структура которого характеризуется упорядоченным чередованием фрагментов толщиной в один и два ниобий - кислородных октаэдра, так что его структуру можно описать в виде (Bi2О2)(NbO4)(Bi2O2)(BiNb2O7), когда n=1 и m=3. Кислородно-ниобиевые октаэдры сопряжены боковыми вершинами и располагаются в кристаллографической (ав)-плоскости, угол связи между атомами Nb-O-Nb составляет 180ْ.  Слои октаэдров разделены между собой висмутокислородными слоями Bi2O2, образованными пирамидами BiO4 и связанными между собой ребрами оснований.

Проведенные ранее исследования магнитного разбавления в твердых растворах Bi5Nb3-3xM3xO15-δ (M - Cr, Ni, Cu) дали основание полагать, что гетеровалентное замещение ниобия атомами меньшей валентности в разбавленных твердых растворах сопровождается частичным окислением парамагнитных атомов, тогда как в концентрированных растворах стабилизация структуры происходит за счет образования агрегатов из парамагнитных атомов, локализованных вблизи кислородных вакансий [1-3].

В данной работе проведено магнетохимическое исследование электронного состояния и обменных взаимодействий между атомами железа в твердых растворах Bi5Nb3O15, полученных путем гетеровалентного замещения ниобия атомами железа (III).

Железосодержащие твердые растворы получены в узком концентрационном интервале при х ≤ 0,06. Однофазность полученных препаратов подтверждена методами рентгенофазового и микрозондового анализов.  Железосодержащие твердые растворы при концентрациях х>0,005 испытывают моноклинное искажение тетрагональной ячейки, что проявляется в отклонении угла α от 90ْ,  неэквивалентности параметров а и в. Идентифицирование рентгенограмм твердых растворов при х≤0.06 проведено в предположении P 2/m пространственной группы [5,6].  С ростом содержания атомов железа в твердых растворах характерно уменьшение параметра элементарной ячейкиа до 0.5457 нм и увеличение в до 0.5462 нм и с до 2.091 нм, изменение угла α - от 90ْ до 90,8˚ (х=0.06). Моноклинное искажение тетрагональной ячейки твердых растворов Bi5Nb3O15 установлено ранее в работах [1-3, 5] и связано с образованием атомных дефектов в структуре.

На основании измерений магнитной восприимчивости твердых растворов рассчитаны парамагнитные составляющие магнитной восприимчивости [χпара(Fe)] и значения эффективных магнитных мо­ментов [μэф(Fe)] атомов железапри разных температурах и для различных концентраций твердых растворов. Диа­магнитные поправки при расчете парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости введены с учетом восприимчивости матрицы ниобата висмута Bi5Nb3O15, измеренной в том же температурном интервале.Зависимость обратной величины парамагнитной восприимчивости (1/χFeпара) от температуры линейна во всем температурном интервале и подчиняется закону Кюри-Вейсса. Изотермы парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости атомов железа типичны для антиферромагнетиков и представлены на рисунке 1.

 

Рис. 1 – Изотермы парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости железосодержащих  твердых растворов при 90 К (1), 140 К (2), 200 К (3), 260 К (4) и 320 К (5).

Величина эффективного магнитного момента одиночных атомов железа, рассчитанная в результате экстраполяции концентрационных зависимостей величин [χпара(Fe)] на бесконечное разбавление твердых растворов возрастает с ростом температуры от 6.69 МБ (90 К) до 7.01 МБ (320 К).Принимая во внимание, что для атомов железа (III) завышение магнитного момента по отношению к чисто спиновому значению атомов Fe(III) (μэф= 5.92 МБ, терм 6А1g) и Fe(II) (μэф = 4.9 МБ, 5Т2g) не может быть вызвано ни спин-орбитальным взаимодействием, ни эффектами нулевого поля, остается предположить, что  в сильно разбавленных растворах со слоистой структурой проявляются обменные взаимодействия ферромагнитного типа.

Уменьшение парамагнитной составляющей магнитной восприимчивости атомов с увеличением концентрации твердых растворов связанос проявлением антиферромагнитных взаимодействий между атомами железа. В пользу такого предположения свидетельствует и температурная зависимость эффективного магнитного момента атомов железа в твердых растворах различной концентрации атомов парамагнетика.

В результате исследований железосодержащих твердых растворов Bi5Nb3O15 установлено, что в бесконечно разбавленном твердом растворе атомы железа (III) находятся в агрегированном состоянии и образуют кластерыс антиферро - и ферромагнитным типом обмена. По-видимому, образование агрегатов из парамагнитных атомов вблизи кислородных вакансий приводит к стабилизации структуры твердых растворов.

Образование кластеров с антиферро - и ферромагнитным типом обмена косвенно свидетельствует о нахождении атомов железа (III) в кристаллических полях различной симметрии.  Вероятность реализации ферромагнитногообменавелика в пределах одного слоя октаэдров, в плоскости перпендикулярной оси с, по каналам перекрестного обмена, например, , .

Экспериментальная часть

Синтез образцов твердых растворов проведен стандартным керамическим методом из оксидов висмута (III), ниобия (V) и железа (III) квалификации “ос.ч.” при температуре 750 ˚С и 1050 ˚С. Фазовый состав исследуемых препаратов контролировали методами электронной сканирующей микроскопии  (энергодисперсионный спектрометр фирмы Link) и рентгенофазового анализа (ДРОН-4-13, Cu–излучение), параметры элементарной ячейки твердых растворов рассчитаны с использованием пакета программ  CSD[7].

Количественное определение содержания железа в образцах твердых растворов проведено методом атомно-эмиссионной спектрометрии (спектрометр SPECTROCIROS  с индуктивно-связанной плазмой) с точностью 5 % от индекса х в формуле твердого раствора.

Измерения магнитной восприимчивости твердых растворов проведены по методу Фарадея в ин­тервале температур 77 – 400 К при 16 фиксированных значениях температуры. Точность относительных измерений составила 2%.

 

Список литературы:

1. Жук Н. А., Пийр И. В.,Пименов А. Л., Чежина Н. В. // ЖОХ. 2008.Т. 78.№. 3.С. 353., Russian J. General Chemistry. 2008. Vol. 78.N. 3. P. 335.

2.  Жук Н. А., ПийрИ. В., ЧежинаН. В..//ЖОХ. 2008. Т. 78.№.3.С. 393. 2008.

3.  Жук Н. А., Пийр И. В.,Пименов А. Л., Чежина Н. В. // ЖОХ. 2007.Т. 77.№. 3.С. 393., Russian J. General Chemistry. 2008. Vol. 77.N. 3. P. 990.

4. Смоленский  Г. А., Исупов В. А., Аграновская А. И. // Физика твердого тела.1961. Т.3. № 3. С. 899. Smolensky G. A., Isupov V. A., Agranovskaya A. I. Soviet Physics Solid State. 1961. Vol. 3, N. 3, P. 651.

5. Яновский В.К., Воронкова В.И., Водолазская И.В.// Неорг. матер.1990.Т. 26.№. 6.С. 1297.

6.  Яновский В.К., Воронкова В.И., Леонтьева И.Н.// Неорг. матер.1989.Т. 25.№. 5.С. 834.Yanovskij V. K., Voronkova V. I., Leonteva I. N.// Inorgan.Mater. 1989.

7.  Аkselrud L. G., Gryn Y. N., Zavalij P. Yu.// Thes. Rep. 12th Europ.Crystallogr. Meet. 1985. p. 55

8.  Isupov V. A. // Ferroelectrics. 1996. Vol. 189. P. 211.

9. Macquart R., Kennedy B. J., Kamiyama T.,  Izumi F. // J. Phys.-Condes. Matter. 2004.

Проголосовать за статью
Конференция завершена
Эта статья набрала 0 голосов
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом