Образование высокоэнтропийных октаэдрических кристаллов в многокомпонентных оксидных системах

Денис Александрович Винник, Евгений Алексеевич Трофимов, Владимир Евгеньевич Живулин, Ольга Владимировна Зайцева, Татьяна Анатольевна Жильцова, Дмитрий Викторович Репин

Аннотация


В рамках выполнения проекта по созданию высокоэнтропийных кристаллических фаз со структурой магнетоплюмбита проанализированы химические составы, кристаллическая структура и условия образования получающихся в качестве побочных продуктов или результатов неудачных экспериментов многокомпонентных кристаллов со структурой шпинели, включая кристаллы, состав которых ранее не был описан в литературе. Определён перечень химических элементов, которые могут быть основными компонентами фаз с такого рода структурой. В частности, установлено, что состав полученных кристаллов шпинели может быть выражен брутто-формулами (Ni,Co,Mn2+)(Al,Cr,Fe,Ti,Ga,Mn3+)2O4 и (Co,Fe2+, Mn2+)(Al,Cr,Ti,V,Ga,Fe3+, Mn3+)2O4. При этом Ba, Sr, Ca, K, Pb, La и Bi в таких фазах могут присутствовать в качестве минорных примесей. Их добавление, вероятно, не сказывается заметным образом на стабилизации получаемой фазы со шпинельной структуры. Растворимость индия In, судя по полученным данным, в твёрдых растворах такого рода может быть ограниченной.
Сделаны представляющие практический интерес важные выводы об условиях, которые необходимо выполнять в процессе выращивания из высокоэнтропийных расплавов. В частности, показано, что при выращивании монокристаллов из расплава следует учитывать необходимость дополнительного его окисления по сравнению с уровнем, который могут обеспечить сам состав расплава и атмосфера воздуха, в которой проводились эксперименты. Это связано с тем, что увеличение температуры синтеза (в частности, с 1400 до 1600 С) приводит к ситуации, когда большая доля атомов железа и марганца восстанавливается до степени окисления +2, что способствует образованию больших количеств октаэдрической фазы и негативно сказывается на возможности формирования кристаллов со структурой магнетоплюмбита.


Ключевые слова


высокоэнтропийные кристаллы со структурой шпинели; экспериментальное получение; состав; влияние температуры

Полный текст:

PDF

Литература


Vinnik D., Zhivulin V., Trofimov E., Starikov A., Zherebtsov D., Zaitseva O., Gudkova S., Klygach D., Vakhitov M., Taskaev S., Sander E., Sherstyuk D., Trukhanov A. Extremely Polysubstituted Magnetic Material Based on Magnetoplumbite with a Hexagonal Structure: Synthesis, Structure, Properties, Prospects. Nanomaterials, 2019, vol. 9, no. 4, 559 p.

Vinnik D.A., Trofimov E.A., Zhivulin V.E., Zaitseva O.V., Gudkova S.A., Starikov A.Yu., Zherebtsov D.A., Kirsanova A.A., Häßner M., Niewa R. High-entropy Oxide Phases with Magnetoplumbite Structure. Ceramics International, 2019. DOI: 10.1016/j.ceramint.2019.03.221 (принято в печать).

Pullar R.C. Hexagonal Ferrites: A Review of the Synthesis, Properties and Applications of Hexaferrite Ceramics. Progress in Materials Science, 2012, vol. 57, pp. 1191–1334.

Vinnik D.A., Ustinova I.A., Ustinov A.B., Gudkova S.A., Zherebtsov D.A., Trofimov E.A., Zabeivorota N.S., Mikhailov G.G., Niewa R. Millimeter-wave Characterization of Aluminum Substituted Barium Lead Hexaferrite Single Crystals Grown from PbO–B2O3 Flux. Ceramics International, 2017, vol. 17, pp. 15800–15804.

Vinnik D.A., Ustinov A.B., Zherebtsov D.A., Vitko V.V., Gudkova S.A., Zakharchuk I., Lähderanta E., Niewa R. Structural and Millimeter-wave Characterization of Flux Grown Al Substituted Barium Hexaferrite Single Crystals. Ceramics International, 2015, vol. 41, pp. 12728–12733. DOI: 10.1016/j.ceramint.2015.06.105.

Nemrava S., Vinnik D.A., Hu Z., Valldor M., Kuo C.Y., Zherebtsov D.A., Gudkova S.A., Chen C.-T., Tjeng L.H., Niewa R. Three Oxidation States of Manganese in the Barium Hexaferrite BaFe12-xMnxO19. Inorganic Materials, 2017, vol. 56, pp. 3861–3866. DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6b02688.

Vinnik D.A., Klygach D.S., Zhivulin V.E., Malkin A.I., Vakhitov M.G., Gudkova S.A., Galimov D.M., Zherebtsov D.A., Trofimov E.A., Knyazev N.S., Atuchin V.V., Trukhanov S.V., Trukhanov A.V. Electromagnetic properties of BaFe12O19:Ti at centimeter wavelengths. Journal of Alloys and Compounds, 2018, vol. 755, pp. 177–183. DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.04.315.

Vinnik D.A., Tarasova A.Yu., Zherebtsov D.A., Gudkova S.A., Galimov D.M., Zhivulin V.E., Trofimov E.A., Nemrava S., Perov N.S., Isaenko L.I., Niewa R. Magnetic and Structural Properties of Barium Hexaferrite BaFe12O19 from Various Growth Techniques. Materials, 2017, vol. 10, p. 578. DOI: 10.3390/ma10060578.

Pogrebnyak A.D., Bagdasaryan A.A., Yakushchenko I.V., Beresnev V.M. The Structure and Properties of High-entropy Alloys and Nitride Coatings Based on Them. Russian Chemical Reviews, 2014, vol. 83, pp. 1027–1061. DOI: 10.1070/RCR4407.

Lin M.-I., Tsai M.-H., Shen W.-J., Yeh J.-W. Evolution of Structure and Properties of Multi-Component (AlCrTaTiZr)Ox Films. Thin Solid Films, 2010, vol. 518, pp. 2732–2737. DOI: 10.1016/j.tsf.2009.10.142.

Rost C.M., Sachet E., Borman T., Moballegh A., Dickey E.C., Hou D., Jones J.L., Curtarolo S., Maria J.-P. Entropy-Stabilized Oxides. Nature Communications, 2015, vol. 6, 8485 p. DOI: 10.1038/ncomms9485.

Berardan D., Franger S., Meena A.K., Dragoe N. Room Temperature Lithium Superionic Con-ductivity in High Entropy Oxides. Journal of Materials Chemistry A, 2016, vol. 4, pp. 9536–9541. DOI: 10.1039/C6TA03249D.

Rak Zs., Rost C.M., Lim M., Sarker P., Toher C., Curtarolo S., Maria J.-P., Brenner D.W. Charge Compensation and Electrostatic Transferability in Three Entropy-Stabilized Oxides: Results from Density Functional Theory Calculations. Journal of Applied Physics, 2016, vol. 120, p. 095105 DOI: 10.1063/1.4962135.

Rost C.M., Rak Z., Brenner D.W., Maria J.-P. [Local Structure of the MgxNixCoxCuxZnxO(x=0.2) Entropy-Stabilized Oxide: An EXAFS Study]. Journal of the American Ce-ramic Society, 2017, vol. 100, pp. 2732–2738. DOI: 10.1111/jace.14756.

Berardan D., Meena A.K., Franger S., Herrero C., Dragoe N. Controlled Jahn-Teller Distortion in (MgCoNiCuZn)O-Based High Entropy Oxides. Journal of Alloys and Compounds, 2017, vol. 704, pp. 693–700. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.02.070.

Sarkar A., Loho C., Velasco L., Thomas T., Bhattacharya S.S., Hahn H., Djenadic R.R. Multi-component Equiatomic Rare Earth Oxides with Narrow Band Gap and Associated Praseodymium Multivalency. Dalton Transactions, 2017, vol. 46, pp. 12167–12176. DOI: 10.1039/C7DT02077E.

Djenadic R., Sarkar A., Clemens O., Loho Ch., Botros M., Chakravadhanula V.S.K., Kübel Ch., Bhattacharya S.S., Gandhi A.S., Hahn H. Multicomponent Equiatomic Rare Earth Oxides. Materials Research Letters, 2017, vol. 5, pp. 102–109. DOI: 10.1080/21663831.2016.1220433.

Jiang S., Hu T., Gild J., Zhou N., Nie J., Qin M., Harrington T., Vecchio K., Luo J. A New Class of High-Entropy Perovskite Oxides. Scripta Materialia, 2018, vol. 142, pp. 116–120. DOI: 10.1016/j.scriptamat.2017.08.040.

Sarkar A., Djenadic R., Wang D., Hein Ch., Kautenburger R., Clemens O., Hahn H. Rare Earth and Transition Metal Based Entropy Stabilized Perovskite Type Oxides. Journal of the European Ceramic Societ, 2018, vol. 38, pp. 2318–2327. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2017.12.058.

Meisenheimer P.B., Kratofil T.J., Heron J.T. Giant Enhancement of Exchange Coupling in Entropy-Stabilized Oxide Heterostructures. Scientific Reports, 2017, vol. 7, 13344 p. DOI: 10.1038/s41598-017-13810-5.

Anand G., Wynn A.P., Handley Ch.M., Freeman C.L. Phase Stability and Distortion in High-Entropy Oxides. Acta Materialia, 2018, vol. 146, pp. 119–125. DOI: 10.1016/j.actamat.2017.12.037.

Tsau Ch.-H., Hwang Zh.-Y., Chen S.-K. The Microstructures and Electrical Resistivity of (Al, Cr, Ti)FeCoNiOx High-Entropy Alloy Oxide Thin Films. Advances in Materials Science and Engineer-ing, 2015, vol. 2015, pp. 1–6. DOI: 10.1155/2015/353140.

Dąbrowa J., Stygar M., Mikuła A., Knapik A., Mroczka K., Tejchman W., Danielewski M., Martin M. Synthesis and Microstructure of the (Co,Cr,Fe,Mn,Ni)3O4 High Entropy Oxide Characterized by Spinel Structure. Materials Letters, 2018, vol. 216, pp. 32–36. DOI: 10.1016/j.matlet.2017.12.148.


Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.