Кристаллография, 2020, T. 65, № 4, стр. 569-574

Наноструктурированные кристаллы флюоритовых фаз Sr1 – xRxF2 + x (R – РЕдкоземельные элементы) и их упорядочение. 16. Дефектная структура нестехиометрических фаз Sr1 – xRxF2 + x (R = Pr, Tb–Yb) as grown

Е. А. Сульянова 1*, Д. Н. Каримов 1, Б. П. Соболев 1

1 Институт кристаллографии им. А.В. Шубникова ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН
Москва, Россия

* E-mail: sulyanova@gmail.com

Поступила в редакцию 02.10.2019
После доработки 28.11.2019
Принята к публикации 04.12.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Методом рентгеноструктурного анализа изучена дефектная структура монокристаллов as grown Sr0.72Pr0.28F2.28, Sr0.87Tb0.13F2.13, Sr0.88Dy0.12F2.12, Sr0.89Ho0.11F2.11 и Sr0.9R0.1F2.1 (R = Y, Er, Tm, Yb), выращенных в идентичных условиях. Все кристаллы относятся к структурному типу CaF2, пр. гр. $Fm\bar {3}m$, имеют вакансии в основном анионном мотиве и межузельные анионы фтора, которые расположены в позиции 32f в кристалле с R = Pr и в позиции 48i для остальных R. В кристаллах с R = Tb и Dy межузельные анионы фтора обнаружены вблизи позиции 4b (позиции 32f и 24e соответственно), а в кристалле с R = Er в позиции 4b. Во всех кристаллах, кроме R = Tb, наблюдается релаксация – статическое смещение части основных анионов в позицию 32f. Смещение части катионов Sr2+ в позиции 32f и 24e одновременно наблюдается в кристаллах с R = Tb, Dy, Tm и Yb. В кристаллах с R = Ho, Y, Er часть катионов Sr2+ смещается только в позицию 32f, для R = Pr смещения катионов не наблюдается. Предложена модель дефектного строения фаз на основе строения изученных кристаллов, согласно которой межузельные анионы фтора и катионы R3+ группируются в кластеры [Sr4 – nRnF26] тетраэдрической конфигурации в фазе с R = Pr, для остальных R – в кластеры [Sr14 – nRnF64 + n] октаэдро-кубической конфигурации.

ВВЕДЕНИЕ

Работа продолжает серию публикаций, посвященных получению монокристаллов флюоритовых нестехиометрических фаз Sr1 – xRxF2 + x (R = = 16 редкоземельных элементов) [1] и упорядоченных фаз SrmRnF2m + 3n (R = Gd–Lu, Y) [2], изучению их дефектной структуры [3, 4] и выявлению ее связи с некоторыми структурно-чувствительными свойствами (ионной проводимостью, механическими, оптическими и др.) [5, 6].

Цель настоящей работы – изучение дефектной структуры монокристаллов Sr0.72Pr0.28F2.28, Sr0.87Tb0.13F2.13, Sr0.88Dy0.12F2.12, Sr0.89Ho0.11F2.11 и Sr0.9R0.1F2.1 (R = Y, Er, Tm Yb) нестехиометрических фаз Sr1 – xRxF2 + x в состоянии as grown (без дополнительной термической обработки после выращивания), полученных в идентичных ростовых условиях. Составы изучаемых кристаллов (кроме R = Yb) соответствуют составам максимумов на кривых плавления в системах SrF2RF3 (R = La–Tm), которые свидетельствуют о сильных химических взаимодействиях компонентов в расплавленном и кристаллическом состояниях.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Кристаллы Sr0.72Pr0.28F2.28, Sr0.87Tb0.13F2.13, Sr0.88Dy0.12F2.12, Sr0.89Ho0.11F2.11 и Sr0.9R0.1F2.1 (R = Y, Er, Tm, Yb) выращены из расплава методом Бриджмена одновременно в многоячеистом тигле. Режим охлаждения ∼100 град/ч [1]. Пирогидролиз подавлялся продуктами пиролиза политетрафторэтилена. Составы кристаллов определяли по параметрам элементарных ячеек с использованием зависимостей [7]. Отклонения рассчитанных по данным зависимостям составов кристаллов от соответствующих составов шихты не превышали 1 мол. %.

Для рентгеноструктурного анализа отбирали оптически однородные фрагменты, вырезанные из средних частей кристаллических буль.

Параметры дифракционных экспериментов для каждого кристалла приведены в табл. 1. Анализ полученных данных показал принадлежность всех изученных кристаллов к структурному типу CaF2. Уточнение структуры проводили в рамках пр. гр. $Fm\bar {3}m$ с использованием программы Jana2006 [8]. В процессе уточнения в экспериментальный массив интенсивностей вводили поправку на изотропную экстинкцию в приближении Беккера–Коппенса [9] (I тип, угловое распределение блоков мозаики по закону Гаусса). При уточнении ангармонических компонент тензора тепловых колебаний атомов использовали разложение температурного множителя в ряд Грама–Шарлье [10].

Таблица 1.  

Данные дифракционных экспериментов и параметры уточнения структуры изученных кристаллов

R Pr Tb Dy Ho Y Er Tm Yb
Сингония, пр. гр., Z Кубическая, $Fm\bar {3}m$, 4
*a, Å 5.8125(3) 5.7783(3) 5.7770(1) 5.7761(1) 5.7752(1) 5.7737(3) 5.7718(4) 5.7702(3)
V, Å3 196.38(5) 192.93(5) 192.80(5) 192.71(5) 192.62(5) 192.47(5) 192.28(5) 192.12(5)
Dx, г/см3 4.9214(5) 4.7288(5) 4.7028(5) 4.6815(5) 4.3981(5) 4.6652(5) 4.6720(5) 4.6786(5)
Излучение, λ, Å MoKα, 0.71073
Т, K 295
μ, мм–1 26.321 28.727 28.864 29.010 27.853 29.169 29.422 29.624
Tmin, Tmax 0.1021, 0.1759 0.0556,
0.1249
0.0961,
0.1696
0.0953,
0.1578
0.1021, 0.1757 0.0944, 0.1679 0.0693, 0.1392 0.0792, 0.1508
Диаметр образца, мм 0.150 0.156 0.142 0.142 0.142 0.142 0.170 0.156
Дифрактометр CAD4 Enraf Nonius
Тип сканирования Ω/2θ
θmax, град 75.41 75.57 75.62 75.65 75.69 75.75 75.82 75.88
Пределы h, k, l –15 < h < 15, –15 < k < 15, –15 < l < 15
Число отражений: измеренных/независимых c I > 3σ(I), Rint 4120/130, 0.0267 3965/135, 0.0302 3966/137, 0.0323 3963/135, 0.0331 3964/137, 0.03 3973/133, 0.0366 3962/137, 0.0257 3959/137, 0.027
Метод уточнения МНК по F2
Число уточняемых параметров 13 17 17 14 13 15 16 16
Весовая схема ω = 1/(4F22(|F|) + (0.008⋅F)2)])
R/wR, % 0.65/1.76 0.72/2.10 0.53/1.31 0.64/1.71 0.75/1.91 0.52/1.47 0.51/1.34 0.62/1.59
S 0.98 1.00 0.97 0.99 0.99 1.01 1.01 1.02
Δρmin/Δρmax, э/Å–3 –0.27/0.28 –0.29/0.26 –0.20/0.22 –0.35/0.30 –0.45/0.36 –0.32/0.18 –0.22/0.18 –0.17/0.26
Использованные программы Jana2006

* Параметр ячейки рассчитан по рентгенограмме порошка [1].

Разностные синтезы электронной плотности (ЭП) в плоскости (110) для исследованных кристаллов показаны на рис. 1а, 2а. Синтезы построены после вычитания катионов (Sr2+, R3+), занимающих в структуре позицию 4a, для которых задана смешанная кривая рассеяния, и матричных анионов F(8c), занимающих в структуре изученных образцов позицию 8c, уточнена заселенность этой позиции.

Рис. 1.

Разностные (а) и нулевые разностные (б) синтезы электронной плотности Sr0.87Tb0.13F2.13, Sr0.88Dy0.12F2.12 и Sr0.89Ho0.11F2.11 в плоскости (110). Шаг изолиний 0.1 э/Å3.

На разностных синтезах всех исследованных кристаллов присутствует ЭП в межузельных позициях, которые занимают анионы фтора. Электронная плотность в позициях 32f и 48i принадлежит анионам, обозначенным как Fint(32f)3 и Fint(48i) соответственно. Распределение ЭП вблизи позиции 8c, которую занимают матричные анионы F(8c), свидетельствует о наличии в кристаллах с R = Pr, Tb, Dy и Ho динамических смещений анионов F(8c). В данных кристаллах после учета отклонения тепловых колебаний анионов F(8c) от гармонического закона до третьего порядка разложения ЭП вблизи данной позиции сохранилась, что свидетельствует о наличии в их структуре статически смещенных (релаксировавших) матричных анионов F(8c), обозначенных как Fint(32f)1. В кристалле с R = Tb провести уточнение с учетом релаксированного аниона не удалось, релаксации анионной подрешетки в данном кристалле не наблюдается.

На синтезах образцов с R = Tb, Dy и Er присутствует ЭП вблизи центра кубической пустоты {F8} в позициях 32f, 24e и 4b соответственно, принадлежащая межузельным анионам, обозначенным как Fint(32f)4, Fint(24e) и Fint(4b).

Нулевые синтезы ЭП для всех изученных кристаллов показаны на рис. 1б, 2б. Распределение ЭП вблизи позиции катиона в кристалле Sr0.72Pr0.28F2.28 характерно для ангармонического характера тепловых колебаний. Учет отклонения тепловых колебаний катионов от гармонического закона до четвертого порядка разложения привел к устранению на разностном синтезе образца Sr0.72Pr0.28F2.28 неоднородностей распределения ЭП вблизи позиции 4a (рис. 2б). Распределение ЭП вблизи позиции катиона в остальных кристаллах характерно для статического смещения части катионов из позиции 4a в позицию 32f. В твердых растворах с R = Tb, Dy, Tm и Yb часть катионов также смещается статически из позиции 4a в позицию 24e. Учет этих смещений привел к устранению на разностных синтезах данных образцов неоднородностей распределения ЭП вблизи позиции 4a (рис. 1б, 2б).

Рис. 2.

Разностные (а) и нулевые разностные (б) синтезы электронной плотности Sr0.72Pr0.28F2.28 и Sr0.9R0.1F2.1 (R = Y, Er, Tm, Yb) в плоскости (110). Шаг изолиний 0.1 э/Å3.

На последнем этапе уточнения суммарное количество анионов было зафиксировано в соответствии с составом каждого кристалла. Координатные и эквивалентные параметры атомных смещений в изученных кристаллах приведены в табл. 2. Параметры атомного смещения аниона F(8c) в твердых растворах с R = Pr, Tb, Dy и Ho и катиона в кристалле с R = Pr уточнены в ангармоническом приближении. Стандартные отклонения для заселенностей позиций каждого атома рассчитаны при фиксированном значении всех остальных уточняемых параметров.

Таблица 2.  

Координаты атомов, заселенности позиций (q) и эквивалентные параметры атомных смещений в структуре Sr0.72Pr0.28F2.28, Sr0.87Tb0.13F2.13, Sr0.88Dy0.12F2.12, Sr0.89Ho0.11F2.11 и Sr0.9R0.1F2.1 (R = Y, Er, Tm, Yb)

R Атом* q* x/a y/b z/c βэкв
Pr (Sr1)(32f)
Tb 0.004(1) 0.044(4) 0.044(4) 0.044(4) 0.69(8)
Dy 0.005(1) 0.038(3) 0.038(3) 0.038(3) 0.67(9)
Ho 0.007(2) 0.047(2) 0.047(2) 0.047(2) 1.3(2)
Y 0.005(1) 0.042(1) 0.042(1) 0.042(1) 0.65(8)
Er 0.008(1) 0.045(1) 0.045(1) 0.045(1) 1.4(2)
Tm 0.014(4) 0.029(3) 0.029(3) 0.029(3) 0.8(1)
Yb 0.009(2) 0.039(3) 0.039(3) 0.039(3) 0.99(9)
Pr (Sr2 + R)(4a) 0.72 + 0.28 0 0 0 0.868(4)
Tb 0.810 + 0 0 0 0 0.671(7)
Dy 0.835 + 0 0 0 0 0.681(5)
Ho 0.841 + 0.106 0 0 0 0.698(3)
Y 0.863 + 0.095 0 0 0 0.714(3)
Er 0.836 + 0.097 0 0 0 0.730(3)
Tm 0.739 + 0 0 0 0 0.669(5)
Yb 0.818 + 0 0 0 0 0.668(7)
Pr (Sr3 + R)(24e)
Tb 0.005 + 0.022 0.024(3) 0 0 0.77(8)
Dy 0.0019(10) + 0.019 0.024(3) 0 0 0.52(6)
Ho
Y
Er
Tm 0.008(2) + 0.016 0.024(1) 0 0 0.303(9)
Yb 0.003(1) + 0.016 0.0256(6) 0 0 0.61(3)
Pr F(8c) 0.803 1/4 1/4 1/4 1.333(9)
Tb 0.888 1/4 1/4 1/4 1.090(7)
Dy 0.877 1/4 1/4 1/4 1.038(4)
Ho 0.894 1/4 1/4 1/4 0.971(3)
Y 0.864 1/4 1/4 1/4 0.99(7)
Er 0.886 1/4 1/4 1/4 1.02(2)
Tm 0.863 1/4 1/4 1/4 1.042(4)
Yb 0.871 1/4 1/4 1/4 1.03(2)
Pr Fint(32f)1 0.039(7) 0.293(5) 0.293(5) 0.293(5) 2.5(4)
Tb
Dy 0.010(3) 0.300(3) 0.300(3) 0.300(3) 2.4(9)
Ho 0.006(2) 0.277(4) 0.277(4) 0.277(4) 1.1(9)
Y 0.013(3) 0.283(5) 0.283(5) 0.283(5) 0.83(9)
Er 0.009(5) 0.288(4) 0.288(4) 0.288(4) 0.91(9)
Tm 0.012(4) 0.289(5) 0.289(5) 0.289(5) 1.3(5)
Yb 0.016(5) 0.288(5) 0.288(5) 0.288(5) 1.7(5)
Pr Fint(32f)3 0.045(4) 0.416(3) 0.416(3) 0.416(3) 2.2(2)
Pr Fint(48i)
Tb 0.026(1) 0.132(5) 0.132(5) 1/2 2.3(4)
Dy 0.021(1) 0.133(3) 0.133(3) 1/2 2.0(3)
Ho 0.023(1) 0.134(4) 0.134(4) 1/2 1.9(3)
Y 0.022(1) 0.141(5) 0.141(5) 1/2 2.5(5)
Er 0.020(3) 0.143(4) 0.143(4) 1/2 2.1(3)
Tm 0.023(3) 0.143(3) 0.143(3) 1/2 1.9(3)
Yb 0.019(2) 0.152(3) 0.152(3) 1/2 1.6(2)
Tb Fint (32f)4 0.005(2) 0.470(5) 0.470(5) 0.470(5) 0.30(9)
Dy (24e) 0.005(1) 0.439(9) 0 0 0.8(1)
Er (4b) 0.013(8) 1/2 1/2 1/2 1.2(6)

* qF(8c) и qSr2 определяются по формулам: qF(8c) = [4(2 + x) – qFint(32f)1qFint(32f)3qFint(32f)4qFint(48i)qFint(4b)qFint(24e)]/8, qSr2 = [4(1 – x) – qSr1qSr3]/4, где qFint(32f)1, qFint(32f)3, qFint(32f)4, qFint(48i), qFint(4b), qFint(24e) – количество анионов фтора в позициях (32f)1, (32f)3, (32f)4, 48i, 4b и 24e соответственно, qSr1, qSr3 – количество катионов Sr2+ в позициях 32f и 24e соответственно.

МОДЕЛЬ СТРОЕНИЯ ИЗУЧЕННЫХ ФАЗ

Известно, что дефекты, образующиеся в нестехиометрических флюоритовых фазах M1 – xRxF2 + x (M – щелочноземельные элементы) в результате гетеровалентного замещения катионов M2+ на R3+ группируются в кластеры, анионное ядро которых составляют межузельные анионы фтора. Согласно принципу локальной компенсации заряда вокруг анионного ядра располагаются примесные катионы R3+ [1113], образуя катион-анионные кластеры. В Sr0.72Pr0.28F2.28 обнаружены межузельные анионы Fint(32f)3 в позиции 32f, которые формируют тетраэдрические группировки {F4}, являющиеся анионным ядром тетраэдрического кластера [Sr4 – nRnF26] [14]. В остальных кристаллах обнаружены межузельные анионы Fint(48i) в позиции 48i, которые формируют кубооктаэдрические группировки {F12}, являющиеся анионным ядром октаэдро-кубического кластера (ОКК) [Sr14 – nRnF64 + n] [15].

Октаэдро-кубический кластер является структурной единицей упорядоченной фазы M4R3F17. В структуре Sr4Lu3F17 [3] ОКК присутствует в искаженном виде: все катионы Lu3+ смещены вдоль оси 4 от центра кластера, часть катионов Sr2+ – вдоль оси 3 к центру кластера. Вероятно, в катионном мотиве фаз c R = Y, Tb–Yb реализуются смещения катионов, аналогичные таковым в упорядоченной фазе Sr4Lu3F17: все катионы R3+ и часть катионов Sr2+ (Sr3) смещаются вдоль оси 4 в позицию 24e, а часть катионов Sr2+ (Sr1) – вдоль оси 3 в позицию 32f. В кристаллах с R = Ho, Y и Er катионы смещаются только в позицию 32f, в кристаллах с R = Tb, Dy, Tm и Yb наблюдаются оба смещения.

В фазах с R = Tb, Dy и Er установлено присутствие межузельных анионов в позициях 32f (Fint(32f)4), 24e (Fint(24e)) и 4b (Fint(4b)) соответственно. Известно, что в упорядоченных фазах M4R3F17 анионы, соответствующие Fint(32f)4, находятся внутри ядра ОКК, а анионы, соответствующие Fint(4b), занимают кубические пустоты за пределами ОКК. Вероятно, данная схема размещения межузельных анионов реализуется и в исследуемых разупорядоченных фазах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Установлено, что кристаллы составов Sr0.72Pr0.28F2.28, Sr0.87Tb0.13F2.13, Sr0.88Dy0.12F2.12, Sr0.89Ho0.11F2.11 и Sr0.9R0.1F2.1 (R = Y, Er, Tm Yb) принадлежат структурному типу CaF2, пр. гр. $Fm\bar {3}m$. Во всех образцах найдены вакансии в основном анионном мотиве и межузельные анионы фтора в позициях 32f (Fint(32f)3) и 48i (Fint(48i)). В образцах с R = Tb, Dy и Er установлено присутствие межузельных анионов в позициях 32f (Fint(32f)4), 24e (Fint(24e)) и 4b (Fint(4b)) соответственно. В исследованных кристаллах со всеми R, кроме R = Tb, обнаружена релаксация анионной подрешетки F(8c) → Fint(32f)1.

Предложена модель дефектного строения кристаллов составов Sr0.72Pr0.28F2.28, Sr0.87Tb0.13F2.13, Sr0.88Dy0.12F2.12, Sr0.89Ho0.11F2.11 и Sr0.9R0.1F2.1 (R = Y, Er, Tm Yb), согласно которой межузельные анионы фтора и примесные катионы R3+ группируются в кластеры [Sr4 – nRnF26] тетраэдрической конфигурации в кристалле с R = Pr, а в остальных – в кластеры [Sr14 – nRnF64 + n] октаэдро-кубической конфигурации. Тетраэдрическое {F4} и кубооктаэдрическое {F12} ядро тетраэдрического кластера и ОКК образуют анионы в позициях 32f Fint(32f)3 и 48i Fint(48i) соответственно.

Данные о кристаллической структуре исследованных образцов депонированы в Банке данных неорганических соединений (ICSD № 1967838 – Sr0.87Tb0.13F2.13, 1967839 – Sr0.88Dy0.12F2.12 и 1967841 – Sr0.89Ho0.11F2.11, 1967843 – Sr0.72Pr0.28F2.28, 1967840 – Sr0.9Y0.1F2.1, 1967842 – Sr0.9Er0.1F2.1, 1967845 – Sr0.9Tm0.1F2.1, 1967844 – Sr0.9Yb0.1F2.1).

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 17-00-00118, 19-02-00877) в части отработки методик выращивания монокристаллов и Министерства науки и высшего образования в рамках выполнения работ по Государственному заданию в части исследования структурных характеристик кристаллических образцов с использованием оборудования ЦКП ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН (проект RFMEFI62119X0035).

Список литературы

  1. Соболев Б.П., Каримов Д.Н., Сульянов С.Н. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 1. С. 129.

  2. Сульянова Е.А., Каримов Д.Н., Сульянов С.Н. и др. // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 1. С. 159.

  3. Сульянова Е.А., Молчанов В.Н., Верин И.А. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 3. С. 554.

  4. Сульянова Е.А., Болотина Н.Б., Каримов Д.Н. и др. // Кристаллография. 2019. Т. 64. № 2. С. 196.

  5. Глушкова Т.М., Каримов Д.Н., Кривандина Е.А. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 4. С. 642.

  6. Сорокин Н.И., Каримов Д.Н., Сульянова Е.А. и др. // Кристаллография. 2010. Т. 55. № 4. С. 708.

  7. Sobolev B.P., Seiranian K.B., Garashina L.S. et al. // J. Solid State Chem. 1979. V. 28. № 1. P. 51.

  8. Petricek V., Dusek M., Palatinus L. // Z. Kristallogr. 2014. B. 229. № 5. S. 345.

  9. Becker P.J., Coppens P. // Acta Cryst. A. 1974. V. 30. № 2. P. 129.

  10. International Tables for Crystallography V. C / Ed. Wilson A.J.C. Dordrecht; Boston; London: Kluwer Acad. Publ., 1992.

  11. Cheetham A.K., Fender B.E.F., Cooper M.J. // J. Phys. C. 1971. V. 4. № 18. P. 3107.

  12. Hull S., Wilson C.C. // J. Solid State Chem. 1992. V. 100. № 1. P. 101.

  13. Hofmann M., Hull S., McIntyre G.J. et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 1997. V. 9. № 4. P. 845.

  14. Мурадян Л.А., Максимов Б.А., Симонов В.И. // Координац. химия. 1986. Т. 12. № 10. С. 1398.

  15. Сульянова Е.А., Молчанов В.Н., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2008. Т. 53. № 4. С. 605.

Дополнительные материалы отсутствуют.