ЖЭТФ, 2019, том 155, вып. 2, стр. 331-337
© 2019
ЛОКАЛЬНЫЕ МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ В ДИАМАГНИТНЫХ
BiSbO4 И Bi4Si3O12: ЯКР209Bi
Э. А. Кравченкоa*, А. А. Гиппиусb,c, А. В. Ткачевc, Д. О. Чаркинb, В. А. Долгихb
a Институт общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова Российской академии наук
119991, Москва, Россия
b Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова
119991, Москва, Россия
c Физический институт им. П. Н. Лебедева Российской академии наук
19991, Москва, Россия
Поступила в редакцию 25 июля 2018 г.,
после переработки 25 июля 2018 г.
Принята к публикации 29 августа 2018 г.
Методами, основанными на измерении параметров ядерных квадрупольных взаимодействий, в соедине-
ниях висмута с валентными s- и p-электронами, которые принято считать диамагнитными, обнаружено
существование локальных магнитных полей Hloc, существенно превышающих магнитные поля, созда-
ваемые ядерными магнитными моментами (единицы гаусс). Аномалии в магнитных свойствах BiSbO4
и Bi4Si3O12 отчетливо проявлялись при анализе формы линий их спектров ЯКР209Bi. Квартет линий
для нижнего перехода ν1m = 1/2-3/2) в спектре Bi4Si3O12 в нулевом внешнем магнитном поле и
дублеты для линий всех переходов в спектре BiSbO4 при единственной кристаллографической позиции
атомов висмута в кристаллических решетках соединений свидетельствуют о магнитной природе расщеп-
лений. Наиболее вероятными величинами Hloc в этих соединениях являются значения в пределах от 40
до 100 Гс.
DOI: 10.1134/S0044451019020135
Гамильтониан квадрупольного взаимодействия
определяется взаимодействием электрического
квадрупольного момента Q ядра (таким моментом
1. ВВЕДЕНИЕ
обладают все ядра со спином I > 1/2) с градиентом
Спектроскопия ядерного квадрупольного резо-
электрического поля ГЭП кристалла,
нанса (ЯКР) представляет собой прямой, наиболее
эффективный и точный метод обнаружения и ис-
∂Ei
2U
qij =
=-
,
следования явлений, сопровождающихся изменени-
∂j
∂ij
ями электрических полей в месте нахождения ре-
зонансного ядра. В данной работе метод ЯКР был
где Ei — напряженность, U — потенциал этого поля
выбран в качестве основного для исследования осо-
в месте нахождения ядра, а i, j = x, y, z. Измеряемы-
бенностей спектров во внутренних (локальных) маг-
ми параметрами являются константа ядерной квад-
нитных полях. Анализ спектров ЯКР209Вi соедине-
рупольной связи e2Qqzz/h, где eQ — квадрупольный
ний висмута с валентными s- и p-электронами, ко-
момент ядра и qzz — максимальная компонента тен-
торые принято считать диамагнитными (BiSbO4 и
зора ГЭП в системе главных осей, h — постоянная
Bi4Si3O12), указал на существование в этих соедине-
Планка, и параметр асимметрии ГЭП на квадру-
ниях локальных магнитных полей Hloc, существенно
польном ядре, η = (qxx -qyy)/qzz. Их значения непо-
превышающих магнитные поля, создаваемые ядер-
средственно зависят от распределения электронной
ными магнитными моментами и составляющие еди-
плотности вокруг исследуемого ядра, поэтому даже
ницы гаусс.
незначительные ее возмущения приводят к отчет-
ливо регистрируемым изменениям в спектрах ЯКР.
* E-mail: ekravchenko2@yandex.ru
Физические основы явления ЯКР, возможности ме-
331
Э. А. Кравченко, А. А. Гиппиус, А. В. Ткачев и др.
ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019
[
]1/2
m
H = 0
а
H = 0
б
f =
1 + (I + 1/2)2tg2 θ
±9/2
4
Спектр ЯКР209Bi в отличном от нуля внешнем маг-
±7/2
3
нитном поле произвольной ориентации относитель-
±5/2
но осей ГЭП схематически представлен на рис. 1б.
2
±3/2
Таким образом, характерным признаком магнитных
1
±1/2
-
расщеплений в спектре ЯКР, исключающим крис-
+
таллографическую неэквивалентность атомных по-
1
2
3
4
1
2
3
4
зиций как причину расщеплений, служит наблюде-
, МГц
, МГц
ние квартета линий для нижнего перехода ν1m =
= 1/2-3/2) и дублетов для остальных переходов
Рис. 1. Схема квадрупольных уровней и переходов меж-
(ν2, . . . , νk).
ду ними для ядра209Bi в нулевом (а) и зеемановском (б)
магнитных полях
тода и его ограничения при решении различных за-
2. ЭКСПЕРИМЕНТ
дач неорганической химии изложены в обзоре [1].
Как известно, спектр ЯКР209Bi (спин ядра209Bi
Образец BiSbO4 синтезировали из шихты
равен I = 9/2) состоит из четырех линий перехо-
стехиометрического состава (Sb2O3 и Bi2O3) с
дов между пятью дважды вырожденными уровня-
последующим перетиранием и отжигом, проводи-
ми энергии | ± m〉 (рис. 1a) с частотами, которые
мым в несколько этапов на воздухе в кварцевом
для простейшего случая η = 0 и симметрии, пред-
тигле. Данные рентгенофазового анализа (РФА):
полагающей магнитную эквивалентность атомов Bi,
моноклинная ячейка (I2/c) с параметрами a
=
даются выражением
= 5.4690(2)Å, b
= 4.8847(2)Å, c
= 11.8252(6)Å,
3ke2Qqzz
β = 101.131(3).
νk =
,
k = 1,...,4.
2I(2I - 1)h
Исходными для образца BiPO4 были Bi2O3 и
(NH4)2HPO4 в мольном соотношении 1 : 2. Препа-
Постоянное магнитное поле H снимает двукрат-
раты перетирали и нагревали в несколько этапов
ное вырождение энергии квадрупольных уровней по
на воздухе в открытом алундовом тигле с после-
магнитному квантовому числу m, так что каждый
дующим охлаждением в режиме остывающей печи.
переход ±m → ±(m + 1) при m > 1/2 расщепляет-
Данные РФА: высокотемпературная моноклинная
ся полем H на дублет ±mγH cos θ с разностью час-
(P 21/m) модификация BiPO4 с параметрами ячей-
тот [2]
ки a = 4.871(3)Å, b = 7.073(3)Å, c = 4.709(3)Å,
Δν = 2γHe cos θ,
(1)
β = 96.24(8).
Кристаллы Bi4Si3O12 выращены методом Чох-
где γ — гиромагнитное отношение для квадруполь-
ральского аналогично процедуре по выращиванию
ного ядра и θ — угол между направлением поля H и
кристалла Bi4Ge3O12 (BGO), описанной в работе [3].
осью qzz градиента электрического поля на ядре Bi.
Спектры ЯКР209Bi снимали на импульсном
Нижние уровни m = ±1/2 при наложении внешнего
некогерентном спектрометре производства СКБ
поля смешиваются с образованием новых состояний
ИРЭ АН СССР с непрерывной разверткой частоты
ψ+ и ψ- и появлением на месте исходного невоз-
в широком интервале. Эксперимент по наблюдению
мущенного перехода ν±1/2 → ν±3/2 квадруплета с
огибающей квадрупольного спинового эха (ОСЭ)
частотами
1
состоял в регистрации сигнала ЯКР при увеличе-
να = 6A/h -
(3 - f)γH cos θ,
нии расстояния между зондирующими импульсами
2
1
с последующей обработкой сигнала. Слабые посто-
νβ = 6A/h -
(3 + f)γH cos θ,
янные внешние магнитные поля прикладывались
2
(2)
1
перпендикулярно оси радиочастотной катушки.
ν′α = 6A/h +
(3 - f)γH cos θ,
2
Спектрометр снабжен устройством для записи
1
ОСЭ.
ν′β = 6A/h +
(3 + f)γH cos θ,
2
Измерения спектров ЯКР209Bi BiSbO4 и BiPO4
где
проводились на самодельном импульсном фазокоге-
A = e2Qqzz/[4I(2I - 1)]
рентном спектрометре в транспортном азотном дью-
и
аре при 77 К с использованием техники спинового
332
ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019
Локальные магнитные поля...
Iecho, отн. ед.
с
O
Si
1.4
1.2
1.0
0.8
b
0.6
0.4
0.2
0
19.4
19.5
19.6
19.7
19.8
, МГц
Рис. 2. Линия перехода ν1m = 1/2-3/2) в спектре ЯКР
a
209Bi соединения Bi4Si3O12 в нулевом магнитном поле
Рис. 3. (В цвете онлайн) Схема строения ортосиликата
висмута Bi4Si3O12
эха со ступенчатой (point-by-point) разверткой час-
тоты. Спектры измерялись путем интегрирования
Как следует из уравнений (2), количество компо-
ОСЭ во временном домене с последующим усред-
нением по числу накоплений, которое зависело от
нент (мультиплетность) расщепленной линии и их
положение на шкале частот зависят от величины
частоты и номера квадрупольного перехода.
и ориентации магнитного поля H по отношению к
осям ГЭП на ядре Bi. Очевидно, что при угле θ =
[
]
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
= 1/ tg
2
2/(I + 1/2)
линии να и ν′α совпадают,
давая сигнал удвоенной интенсивности на частоте
Форма линии перехода ν1m = 1/2-3/2) в
нерасщепленной линии, так что вместо квадруплета
спектре ЯКР209Bi ортосиликата висмута Bi4Si3O12
следует ожидать появления дублета. Именно такую
представляла собой квадруплет (рис. 2), хотя наб-
картину расщеплений мы наблюдали в спектре ЯКР
людение велось в нулевом внешнем магнитном по-
209Bi соединения BiSbO4 (рис. 4). Следовательно, в
ле. При этом расщепление линии ν1 на квадруплет
BiSbO4 также существует локальное магнитное по-
наблюдалось как для монокристалла, так и для по-
ле, которое, согласно оценке на основе спектральных
рошкового образца, что указывает на существова-
данных, характеризуется параметрами
ние в соединении внутреннего источника магнитных
расщеплений — локального магнитного поля Hloc,
Hloc 40 Гс, θ = 29.5.
направление которого связано с направлением спи-
на ядра. В порошке каждый кристаллит для локаль-
Следует заметить, что величины расщеплений в
ного магнитного поля является монокристаллом, и
дублетах верхних переходов (326, 251,
175
кГц,
наблюдение в нем зеемановского спектра снимает
рис. 4) находятся в хорошем соответствии с отно-
возможный вопрос о примеси как источнике расщеп-
шениями 9/2 :7/2 и 7/2 : 5/2, следующими из урав-
лений.
нения (1), что также подтверждает их магнитную
Согласно структурным данным [4], в решетке ор-
природу.
тосиликата висмута (кубическая решетка I43d) ато-
Соединение BiSbO4 кристаллизуется в моно-
мы Bi занимают единственную кристаллографичес-
клинной сингонии (пространственная группа I2/c)
кую позицию (рис. 3). Оценка локального магнитно-
c параметрами ячейки a = 5.4518(8), b = 4.8783(4),
го поля в Bi4Si3O12, ответственного за наблюдавше-
c
= 11.825(1)Å, β = 101.11(1)[7], хорошо со-
еся расщепление его спектра ЯКР209Bi, дала вели-
гласующимися с параметрами исследованного на-
чину Hloc cos θ ≈ 41 Гс. Учитывая наблюдавшийся
ми соединения. Структуру составляют слои [SbO4]n,
ранее диапазон изменения величин угла θ (пример-
образованные октаэдрами SbO6 с общими углами
но от 5 до 65 [5]), следует предположить вероятное
(рис. 5). Слои параллельны плоскости (001) и соеди-
значение Hloc в пределах от 41 до 100 Гс.
нены между собой связями Bi-O. Координационным
333
Э. А. Кравченко, А. А. Гиппиус, А. В. Ткачев и др.
ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019
Iecho, отн. ед.
Iecho, отн. ед.
1.0
1.0
1
а
0.8
0.8
б
4
4
0.6
0.6
0.4
0.4
3
3
0.2
2
0.2
2
1
0
0
24.2
24.4
24.6
24.8
25.0
25.2
25.4
45.0
45.5
46.0
46.5
47.0
, МГц
, МГц
1
Iecho, отн. ед.
Iecho, отн. ед.
1.0
1.0
в
г
4
0.8
0.8
4
0.6
0.6
3
0.4
3
0.4
2
0.2
0.2
1
1
2
0
0
68.5
69.0
69.5
70.0
70.5
71.0
92.5
93.0
93.5
94.0
, МГц
, МГц
4
Рис. 4. Линии переходов ЯКР209Bi соединения BiSbO4 при 77 К в нулевом магнитном поле: Δm = 1/2-3/2 (а), 3/2-5/2
(б), 5/2-7/2 (в), 7/2-9/2 (г): 1 — экспериментальная запись; 2 — сглаженная огибающая; 3 и 4 — компоненты фитинга
полиэдром висмута является тригональная бипира-
внешних магнитных полей (H < 500 Э), указыва-
мида BiO4E c неподеленной парой электронов, зани-
ющая на сильную взаимосвязь между магнитной и
мающей позицию в экваториальной плоскости. Бес-
электронной подсистемами таких соединений. На-
конечные ленты [BiO2]n направлены вдоль [100]. От-
пример, во внешнем магнитном поле сильно возрас-
мечено, что уточненная структура BiSbO4 [7] во всех
тала интенсивность линий в спектре ЯКР209Bi кри-
деталях подтверждает данные Ауривиллиуса [4] о
сталла Bi4Si3O12 (рис. 6), что не следует из теории
структуре этого соединения, полученные в значи-
зеемановских спектров ЯКР [2,8]. Как показали ре-
тельной мере на основе кристаллохимических прин-
зультаты моделирования расщеплений спектра ЯКР
ципов, установленных при исследовании большо-
209Bi во внешних магнитных полях для изострук-
го числа соединений (фаз), построенных из слоев
турного монокристалла Bi4Ge3O12 (BGO), в кото-
[Bi2O2]2n+n, чередующихся с перовскитоподобными
ром ранее обнаружено Hloc 30 Гc [3], характер
слоями [4].
расщеплений зависит от свойств симметрии ГЭП на
При анализе спектров ЯКР соединений209Bi
ядре209Bi и взаимной ориентации полей, возмуща-
c аномальными магнитными свойствами выявлена
ющих спиновую систему [3,5]. При этом увеличение
уникально высокая чувствительность их электрон-
интенсивности линий в спектрах соединений с ука-
ных характеристик (ГЭП) к воздействию слабых
занными аномалиями в значительной степени опре-
334
ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019
Локальные магнитные поля...
менте вклад в амплитуду спинового эха дает только
однородное уширение линии ЯКР. Рисунок 7а де-
монстрирует рост интенсивности линии ЯКР209Bi
x
во внешних магнитных полях в спектре соединения
Bi3O4Br, в котором ранее было обнаружено особен-
но сильное локальное поле [10] (таблица), а также
влияние этих полей на ОСЭ линии того же пере-
хода (рис. 7б). Подобное влияние магнитных полей
на спектры ЯКР не наблюдалось в соединениях, не
обладающих аномалиями в магнитных свойствах.
Более того, при допировании монокристалла BGO
чрезвычайно малыми количествами (десятыми до-
лями мол. %) парамагнитных атомов Cr, Nd и Gd
характер спиновой динамики приобретал неожидан-
ные особенности: эффективное время спин-спиновой
релаксации резко (до 8 раз) росло, что предполага-
ло уменьшение флуктуаций в электронной системе
соединений под воздействием постоянных внешних
магнитных полей [9].
В таблице приведены спектры ЯКР209Bi вновь
исследованных и ранее изученных соединений, в ко-
торых локальные магнитные поля были обнаруже-
ны по расщеплению спектральных линий в нулевых
внешних магнитных полях. Эти локальные магнит-
z
ные поля по напряженности существенно больше
магнитных полей, создаваемых ядерными магнит-
Рис. 5. Схема строения BiSbO4
ными моментами (единицы Гс), следовательно, их
источником в данных соединениях является элект-
ронная система. Ранее нам удавалось обнаружить
Iecho, отн. ед.
и существенно более слабые (Hloc
< 10 Гс) ло-
2.2
кальные магнитные поля в экспериментах по реги-
2.0
страции ОСЭ [12]. С помощью этого подхода сла-
H = 300 Э
1.8
бые (в пределах неоднородного уширения) расщеп-
1.6
ления линий выявлялись как низкочастотные мо-
1.4
H = 7.5 Э
дуляции кривых ОСЭ. Результаты ЯКР получили
1.2
подтверждение в данных СКВИД-магнитометрии,
1.0
обнаруживших анизотропную парамагнитную вос-
0.8
приимчивость при низких температурах и магне-
H = 0
0.6
тоэлектрический эффект в монокристалле α-Bi2O3
0.4
[13], а также резкое увеличение намагниченности по-
0.2
сле охлаждения кристалла в магнитном поле (эф-
19.0
19.5
20.0
фект «field cooling») [14].
, МГц
С целью выявить существование локальных маг-
Рис. 6. Линия перехода ν1m = 1/2-3/2) в спектре ЯКР
нитных полей еще в одном кислородном соедине-
209Bi монокристалла Bi4Si3O12 в слабых внешних магнит-
нии висмута мы исследовали соединение BiPO4. Бы-
ных полях
ла изучена его высокотемпературная модификация
с моноклинной решеткой (пространственная группа
P21/m) и параметрами ячейки, хорошо согласую-
деляется влиянием внешнего магнитного поля H на
щимися с литературными данными [15]. Согласно
скорость ядерной спин-спиновой релаксации (T2)-1
этим данным, структуру образуют слои, состоящие
[9]. Последняя фактически определяется характе-
из цепочек тетраэдров PO4 и атомов висмута вдоль
ром спада ОСЭ, поскольку в импульсном экспери-
направления [101]. Окружение атома Bi внутри слоя
335
Э. А. Кравченко, А. А. Гиппиус, А. В. Ткачев и др.
ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019
Таблица. Спектры ЯКР209Bi кислородных соединений висмута при 77 K
Cоединение Δm = 1/2-3/2 Δm = 3/2-5/2 Δm = 5/2-7/2 Δm = 7/2-9/2 e2Qq, МГц η, % Hloc, Гс Ссылка
Настоящая
Bi4Si3O12
19.60
39.20
59.0
78.40
470.4
0
41-100
работа
24.88
46.28
69.99
93.39
560.7
8.6
Настоящая
BiSbO
4
40
24.79
46.12
69.73
93.06
558.7
8.6
работа
Настоящая
BiPO4
16.21
26.72
40.93
54.70
328.8
15.0
-
работа
α-Bi2O3 (A)
25.2
45.8
69.4
92.8
556.7
13.0
170
[10]
(B)
39.3
37.2
58.3
79.4
482.6
40.0
140
Bi3O4Br (A)
21.62
25.13
39.59
53.34
322.6
31.1
-
[10]
(B)
58.04
43.30
67.92
86.63
536.9
61.7
250
Частоты ЯКР
209Bi измерены авторами работы [11].
Iecho, отн. ед.
60
H = 45 Э
а
50
Bi
40
H = 15 Э
30
20
Рис. 8. Схема строения высокотемпературной модифика-
10
H = 0
4
ции BiPO
0
57.6
57.8
58.0
58.2
, МГц
образовано шестью связями Bi-O, и еще две связи
Iecho, отн. ед.
Bi-O соединяют слои между собой (рис. 8). Спектр
приведен в таблице.
ЯКР209Bi соединения BiPO4
40
Эксперименты в нулевых внешних магнитных по-
б
лях, однако, не выявили в его спектре особенностей,
30
которые могли бы указывать на существование в
нем локальных магнитных полей. Все линии были
сравнительно узкими и симметричными (рис. 9).
20
150 Э
10
15 Э
45 Э
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
H = 0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Полученные в настоящей работе данные ЯКР
, МГц
209Bi дают новые свидетельства в пользу существо-
вания локальных магнитных полей в соединениях,
Рис. 7. a) Рост интенсивности линии ν1(В) спектра ЯКР
в которых отсутствуют атомы d- или f-элементов
209Bi соединения Bi3O4Br (см. таблицу) в слабых внешних
и которые традиционно считаются диамагнитными.
магнитных полях H. б) ОСЭ для той же линии во внешних
магнитных полях H
Спектры ЯКР209Bi двух исследованных соединений
дополняют собой пока единичные примеры, в кото-
336
ЖЭТФ, том 155, вып. 2, 2019
Локальные магнитные поля...
Iecho, отн. ед.
является факт наличия у центрального элемен-
та неподеленной пары электронов [5] и, возможно,
80
принадлежность соединения к кристаллохимическо-
му классу фаз Ауривиллиуса, состоящих из слоев
[Bi2O2]2n+n, чередующихся с перовскитоподобными
60
слоями.
ЛИТЕРАТУРА
40
1.
Yu. A. Buslaev, E. A. Kravchenko, and L. Kolditz,
Coord. Chem. Rev. 82, 1 (1987).
20
2.
P. T. Das and E. L. Hahn, Nuclear Quadrupole-Re-
sonance Spectroscopy, Acad. Press, NewYork-London
0
40
42
44
46
48
50
(1958).
, МГц
3.
E. A. Kravchenko, Yu. F. Kargin, V. G. Orlov et al.,
J. Magn. Magn. Mater. 224, 249 (2001).
Рис. 9. Линии переходов в спектрах ЯКР209Bi (см. табли-
цу) соединений BiPO4 (слева) и BiSbO4 (справа)
4.
B. Aurivillius, Arkiv Kemi 1, 463 (1949).
5.
Э. А. Кравченко, В. Г. Орлов, М. П. Шлыков,
Успехи химии 75(1), 86 (2006).
рых локальные магнитные поля проявляются в виде
отчетливо регистрируемых магнитных расщеплений
6.
Y. Sheng, K. Qui, W. Zhang et al., Ceramics Int.
43(12), 9158 (2017).
линий ЯКР. В большинстве других соединений су-
ществование локальных магнитных полей выявля-
7.
R. Enjalbert, S. Sorokina, A. Castro et al., Acta
лось при анализе расщеплений спектров монокри-
Chem. Scand. 49, 813 (1995).
сталлов в слабых (не более 10 Э) внешних магнит-
ных полях (зеемановский эксперимент) либо в ви-
8.
E. Shempp and P. J. Bray, Phys. Chem. 4, 522 (1970).
де модуляции ОСЭ в нулевом магнитном поле [5].
9.
E. A. Kravchenko, V. G. Morgunov, V. G. Orlov et
Накопление экспериментального материала в обла-
al., Письма в ЖЭТФ 86, 337 (2008).
сти исследования особенностей кристаллохимии, а
также электронной и магнитной подсистем «немаг-
10.
E. A. Kravchenko and V. G. Orlov, Z. Naturforsch.
A: Phys. Sci. 49, 418 (1994).
нитных» соединений важно для расширения наших
знаний о природе магнетизма.
11.
K. V. Gopalakrishnan, L. G. Gupta, and R. Vijaya-
Как и в интенсивно исследуемых оксидах пере-
ragharan, Pramana 6, 343 (1976).
ходных и редкоземельных элементов, электронные
12.
E. A. Kravchenko, V. G. Morgunov, Yu. F. Kargin et
и магнитные свойства оксидных висмутовых соеди-
al., Appl. Magn. Res. 27, 65 (2004).
нений являются результатом взаимного влияния
большого числа факторов: особенностей кристалли-
13.
A. I. Kharkovskii, V. I. Nizhankovskii, E. A. Krav-
ческой структуры, обменных и суперобменных вза-
chenko et al., Z. Naturforsch. A: Phys. Sci. 51, 665
имодействий, орбитальных степеней свободы [5]. На
(1996).
настоящем этапе исследований выделить основопо-
14.
V. I. Nizhankovskii, A. I. Kharkovskii, and V. G. Or-
лагающий фактор, необходимый для возникновения
lov, Ferroelectrics 279, 175 (2002).
локальных магнитных полей в диамагнитных кис-
лородных соединениях висмута, не представляется
15.
B. Romero, S. Bruque, M. A. G. Aranda et al., Inorg.
возможным. Бесспорно необходимым, по-видимому,
Chem. 33, 1869 (1994).
337
10
ЖЭТФ, вып. 2