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
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 SrF2–RF3 (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.
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/(4F2[σ2(|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.
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).
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.
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)1 – qFint(32f)3 – qFint(32f)4 – qFint(48i) – qFint(4b) – qFint(24e)]/8, qSr2 = [4(1 – x) – qSr1 – qSr3]/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+ [11–13], 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
Соболев Б.П., Каримов Д.Н., Сульянов С.Н. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 1. С. 129.
Сульянова Е.А., Каримов Д.Н., Сульянов С.Н. и др. // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 1. С. 159.
Сульянова Е.А., Молчанов В.Н., Верин И.А. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 3. С. 554.
Сульянова Е.А., Болотина Н.Б., Каримов Д.Н. и др. // Кристаллография. 2019. Т. 64. № 2. С. 196.
Глушкова Т.М., Каримов Д.Н., Кривандина Е.А. и др. // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 4. С. 642.
Сорокин Н.И., Каримов Д.Н., Сульянова Е.А. и др. // Кристаллография. 2010. Т. 55. № 4. С. 708.
Sobolev B.P., Seiranian K.B., Garashina L.S. et al. // J. Solid State Chem. 1979. V. 28. № 1. P. 51.
Petricek V., Dusek M., Palatinus L. // Z. Kristallogr. 2014. B. 229. № 5. S. 345.
Becker P.J., Coppens P. // Acta Cryst. A. 1974. V. 30. № 2. P. 129.
International Tables for Crystallography V. C / Ed. Wilson A.J.C. Dordrecht; Boston; London: Kluwer Acad. Publ., 1992.
Cheetham A.K., Fender B.E.F., Cooper M.J. // J. Phys. C. 1971. V. 4. № 18. P. 3107.
Hull S., Wilson C.C. // J. Solid State Chem. 1992. V. 100. № 1. P. 101.
Hofmann M., Hull S., McIntyre G.J. et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 1997. V. 9. № 4. P. 845.
Мурадян Л.А., Максимов Б.А., Симонов В.И. // Координац. химия. 1986. Т. 12. № 10. С. 1398.
Сульянова Е.А., Молчанов В.Н., Соболев Б.П. // Кристаллография. 2008. Т. 53. № 4. С. 605.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Кристаллография