ФАЗООБРАЗОВАНИЕ И СВОЙСТВА ФЕРРОТИТАНАТОВ ВИСМУТА ПРИ ЗАМЕЩЕНИИ ИОНАМИ ТЯЖЕЛЫХ ЛАНТАНОИДОВ (Tb, Er, Ho, Yb)
Аннотация
Цель данного исследования состояла в изучении влияния катионных замещений на формирование фаз Ауривиллиуса при различных температурах термообработки в условиях твердофазного синтеза. Изучено фазообразование ферротитанатов висмута лантаноида со структурой фаз Ауривиллиуса состава Ln2Bi3FeTi3O15, где Ln = Tb, Ho, Er, Yb. Полученные образцы охарактеризованы методами рентгеновской дифракции, инфракрасной спектроскопии, дифференциально-термического и термогравиметрического анализа, кроме того, изучен их элементный состав. В выбранном режиме синтеза выявленно преимущественное формирование фазы со структурой пирохлора во всем изученном ряду, за исключением образца, содержащего катионы иттербия(III), в котором сосуществуют фазы пирохлорного типа и слоистого перовскита со структурой Ауривиллиуса. Основная во всех образцах фаза пирохлорного типа кристаллизуется в кубической сингонии. Показано, что в образцах Ln2Bi3FeTi3O15, где Ln = Tb, Ho, Er параметры кристаллической решетки уменьшаются, ввиду снижения катионного радиуса ионов Ln(III). Однако в последнем образце изученного ряда Yb2Bi3FeTi3O15 данная закономерность нарушается ввиду распределения ионов Yb(III) между фазами перовскита и пирохлора. Установлено, что проявляющиеся в образцах Ln2Bi3FeTi3O15, где Ln = Tb, Ho, Er, обратимые термоэффекты могут быть отнесены к фазовому переходу типа порядок-беспорядок в пирохлорной структуре. При изучении температурного поведения двухфазного образца Yb2Bi3FeTi3O15 выявлены два обратимых фазовых перехода: термоэффект с низкой интенсивностью характеризует изменения в структуре пирохлорного типа, а более интенсивный термоэффект можно отнести к сегнетоэлектрическому фазовому переходу в структуре слоистого перовскита семейства Ауривиллиуса.
Для цитирования:
Митрофанова А.В., Фортальнова Е.А., Сафроненко М.Г., Политова Е.Д., Мосунов А.В. Фазообразование и свойства ферротитанатов висмута при замещении ионами тяжелых лантаноидов (Tb, Er, Ho, Yb). Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2025. Т. 68. Вып. 1. С. 48-54. DOI: 10.6060/ivkkt.20256801.7085.
Литература
Chen G., Bai W., Sun L., Wu J., Ren Q., Xu W., Yang J., Meng X., Tang X., Duan C-G., Chu J. Processing Op-timization and Sintering Time Dependent Magnetic and Optical Behaviors of Aurivillius Bi5Ti3FeO15 Ceramics. J. Appl. Phys. 2013. V. 113. N 3. P. 034901. DOI: 10.1063/1.4775800.
Mao X., Wang W., Chen X., Lu Y. Multiferroic Proper-ties of Layerstructured Bi5Fe0.5Co0.5Ti3O15 Ceramics. Appl. Phys. Lett. 2009. V. 95. P. 082901. DOI: 10.1063/1.3213344.
Moure A. Review and Perspectives of Aurivillius Struc-tures as a Leadfree Piezoelectric System. J. Appl. Sci. 2018. V. 8. P. 62. DOI: 10.3390/app8010062.
Bai Y., Chen J., Tian R., Zhao S. Enhanced Multiferroic and Magnetoelectric Properties of Ho, Mn Co-doped Bi5Ti3FeO15 Films. Mater. Lett. 2016. V. 164. P. 618–622. DOI: 10.1016/j.matlet.2015.11.083.
Bobic J.D., Katiliute R.M., Ivanov M. Dielectric, Ferroelectric and Magnetic Properties of La Doped Bi5Ti3FeO15 Ceramics. J. Mater. Sci. - Mater. Electron. 2016. V. 27. N 3. P. 2448–2454. DOI: 10.1007/s10854-015-4044-6.
Chen X., Lu Z., Huang F., Min J., Li J., Xiao J., Yang F., Zeng X. Molten Salt Synthesis and Magnetic Anisotro-py of Multiferroic Bi4NdTi3Fe0.7Ni0.3O15 Ceramics. J. Alloys Compd. 2017. V. 693. P. 448–453. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.09.214.
Chen C-X.,·Liu Y-K., Zheng R-K. Magnetic and Ferroelectric Properties of SmBi4Fe0.5Co0.5Ti3O15 Compounds Prepared with Different Synthesis Methods. J. Mater. Sci. - Mater. Electron. 2017. V. 28. N 11. P. 7562–7567. DOI: 10.1007/s10854-017-6446-0.
Gil Novoa O.D., Landínez Téllez D.A., Roa-Rojas J. Synthesis, Structural, Magnetic and Ferroelectric Charac-terization of Biferroic Bi3R2FeTi3O15. Rev. Mex. de Fis. 2012. V. 58. N 2. P. 77–80. DOI: 10.1016/j.physb.2011.12.035.
Peña O., Guizouarn T., Moure C., Gil V., Tartaj J. Magnetic Properties of Aurivillius Lanthanide-bismuth (LnFeO3)nBi4 Ti3O12 (n = 1,2) Layered Titanates. Bol. Soc. Esp. Ceram. V. 2008. V. 47. P. 129-132. DOI: 10.3989/cyv.2008.v47.i3.188.
Li J., Pu Y., Wang X., Shi Y., Shi R., Yang M., Wang W., Guo X., Peng X. Effect of Yttrium Doping on the Structure, Dielectric Multiferroic and Magnetodielectric Properties of Bi5Ti3FeO15 Ceramics. J. Mater. Sci. - Mater. Electron. 2020. V. 31. P. 4345–4353. DOI: 10.1007/s10854-020-02992-w.
Lomanova N.A., Tomkovich M.V., Osipov A.V., Ugolkov V.L., Panchuk V.V., Semenov V.G. Synthesis and Thermal Behavior of Bi5–xCaxFeTi3O15–δ Solid Solutions. Russ. J. Gen. Chem. 2020. V. 90. N 6. P. 1025–1029. DOI: 10.1134/S1070363220060146.
Ragsdale W., Gupta S., Conard K., Delacruz S., Subramanian R.V. Photocatalytic Activity of Fe-modified Bis-muth Titanate Pyrochlores: Insights into Its Stability, Photoelectrochemical, and Optical Responses. Appl. Catal. B. 2016. V. 180. P. 442-450. DOI: 10.1016/j.apcatb.2015.06.016.
Rehman F., Jin H-B., Niu C., Bukhtiar A., Zhao Y-J., Lin J-B. Structural, Magnetic and Dielectric Properties of Bi4Nd0.5Gd0.5Ti3FeO15 Ceramics. Ceram. Int. 2016. V. 42. N 2. P. 2806–2812. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.11.013.
Sun H., Niu J., Cheng H., Lu Y., Xu Z., Zhang L., Chen X. Effects of Ni Substitution on Multiferroic Properties in Bi5FeTi3O15 Ceramics. Chin. Phys. B. 2021. V. 30. N 10. P. 107701. DOI: 10.1088/1674-1056/ac1b92.
Ti R., Huang F., Zhu W., He J., Xu T., Yue C., Zhao J., Lu X., Zhu J. Multiferroic and Dielectric Properties of Bi4LaTi3FeO15 Ceramics. Ceram. Int. 2015. V. 41. P. 453–457. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.03.157.
Zhao H., Wang H., Cheng Z., Fu Q., Tao H., Ma Z., Jia T., Kimura H., Li H. Electric and Magnetic Properties of Aurivillius-phase Compounds: Bi5Ti3XO15 (X = Cu, Mn, Ni, V). Ceram. Int. 2018. V. 44. N 11. P. 13226-13231. DOI: 10.1016/j.ceramint.2018.04.148.
Zuo X., Hui Z., He E., Zhao G., Bai J., Wu J., Zhu S., Kan X., Song W., Yang J., Zhu X., Dai J. Effects of W/Ni Co-doping on the Structural, Magnetic, Electrical, and Optical Properties of Aurivillius Phase Bi5FeTi3O15 Ceramics. J. Mater. Sci. - Mater. Electron. 2020. V. 31. P. 11131–11140. DOI: 10.1007/s10854-020-03662-7.
Zuo X., Zhang M., He E., Guan B. Structural, Magnetic, and Dielectric Properties of W/Cr Co-substituted Auriv-illius Bi5FeTi3O15. J. Alloys Compd. 2017. V. 726. P. 1040-1046. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.08.077.
Zuo X.Z., Zhang M.L., He E.J., Yang J., Zhu X.B., Dai J.M. Multiferroic Property, Dielectric Response, and Scaling Behavior in Aurivillius Bi4.25Gd0.75Fe0.5Co0.5Ti3O15 Ce-ramic. J. Alloys Compd. 2017. V. 695. P. 2556–2562. DOI: 10.1016/ j.jallcom.2016.11.161.
Opra D.P., Sinebryukhov S.L., Neumoin A.I., Podgorbunsky A.B., Gnedenkov S.V. Mesoporous Na2Ti3O7 Nanotube-Constructed Materials with Hierarchical Architecture: Synthesis and Properties. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 12. P. 37-43. DOI: 10.6060/ivkkt.20226512.6552.
Shashkov M.S., Malyshkina O.V., Piir I.V., Koroleva M.S. Dielectric Properties of Iron Containing Bismuth Ti-tanate Solid Solutions with a Layered Perovskite Structure. Phys. Solid State. 2015. V. 57. N 3. P. 518–521. DOI: 10.1134/S1063783415030312.
Mrázek J., Boháček J., Vytykáčová S., Buršík J., Puchý V., Robert D., Kašík I. Photolithographic Patterning of Nanocrystalline Europiumtitanate Eu2Ti2O7 Thin Films on Silicon Substrates. Mater. Lett. 2017. V. 209. P. 216-219. DOI: 10.1016/j.matlet.2017.08.013.
Ping X., Liu Y., Chen S., Ran N., Zheng L., Wang M., Guo L., Wei Z. Tailoring B-site of Lead-ruthenate Pyro-chlore for Boosting Acidic Water Oxidation Activity and Stability. Appl. Catal. B. 2022. V. 318. P. 121884. DOI: 10.1016/j.apcatb.2022.121884.
Myasnikov D.A., Poturaev P.S., Krasnovskikh M.P., Mokrushin I.G. Praseodimum Zirconate: Phase Formation During Heat Treatmentand Electrochemicalbehavior. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 9. P. 6-12. DOI: 10.6060/ivkkt.20226509.6510.
Pikula T., Dzik J., Guzdek P., Mitsiuk V.I., Surowiec Z., Panek R., Jartych E. Magnetic Properties and Magnetoe-lectric Coupling Enhancement in Bi5Ti3FeO15 Ceramics. Ceram. Int. 2017. V. 43. P. 11442–11449. DOI: 10.1016/j.ceramint.2017.06.008.
Taguchi Y., Tokura Y. Giant Negative Magnetoresistance in a Metallic Ferromagnet Sm2Mo2O7. Phys. B Cond. Matt. 2000. V. 284–288 (Part 2). P. 1448-1449. DOI: 10.1016/ S0921-4526(99)02687-3.
Zhou Z-Y., Dong X-L., Yan H-X. Lanthanum Distribution and Dielectric Properties of Bi3-xLaxTiNbO9 Bismuth Layer-structured Ceramics. Scripta Mater. 2006. V. 55. P. 791-794. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2006.07.014.
Kabirov U.V., Kupriyanov M.F., Chebanova E.V. Reconstructive phase transitions of oxygen-octahedral struc-tures. J. Struct. Chem. 2009. V. 50. N 3. P. 492 – 496 (in Russian). DOI: 10.1007/s10947-009-0070-7.
Mitrofanova A.V., Fortalnova E.A., Safronenko M.G., Politova E.D. Properties of Lanthanide Containing Auriv-illius Phases Ln2Bi3FeTi3O15 (Ln = La, Pr, Nd, Sm, Gd). Ferroelectrics. 2022. V. 590. N 1. P. 9-16. DOI: 10.1080/ 00150193.2022.2037934.
