Теплопроводность монокристаллов твердого раствора Ca1-x-ySrxNdyF2+y

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Абсолютным стационарным методом продольного теплового потока в интервале температур 50–300 К измерена теплопроводность серии монокристаллов тройного твердого раствора Ca1-x-ySrxNdyF2+y с вариациями содержаний SrF2 и NdF3 в пределах 0–30 и 10–30 мол. % соответственно. Увеличение содержания второго и, особенно, третьего компонента твердого раствора сопровождается снижением коэффициента теплопроводности. Температурная зависимость теплопроводности всех исследованных образцов характерна для разупорядоченных материалов.

Full Text

Restricted Access

About the authors

П. А. Попов

Брянский государственный университет им. И.Г. Петровского

Email: ppfedorov@yandex.ru
Russian Federation, 241036 Брянск, ул. Бежицкая, 14

А. В. Щёлоков

Брянский государственный университет им. И.Г. Петровского

Email: ppfedorov@yandex.ru
Russian Federation, 241036 Брянск, ул. Бежицкая, 14

А. И. Зенцова

Брянский государственный университет им. И.Г. Петровского

Email: ppfedorov@yandex.ru
Russian Federation, 241036 Брянск, ул. Бежицкая, 14

А. А. Александров

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук; Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова Российской академии наук

Email: ppfedorov@yandex.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38; 119991 Москва, Ленинский пр., 31

Е. В. Чернова

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Email: ppfedorov@yandex.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38

П. П. Федоров

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: ppfedorov@yandex.ru
Russian Federation, 119991 Москва, ул. Вавилова, 38

References

  1. Юшкин Н.П. Оптический флюорит. М.: Наука, 1983.
  2. Зверев В.А., Кривопустова Е.В., Точилина Т.В. Оптические материалы. Ч. 2. С.-Петербург: ИТМО, 2013. 248 с.
  3. Родный П.А. Электронно-дырочные и экситонные процессы в кристаллах CaF2, SrF2 и BaF2 // Физика твердого тела. 2024. Т. 66. № 2. С. 161–178. https://doi.org/0.61011/FTT.2024.02.57239.215
  4. Kaminskii A.A. Laser Crystals. Their Physics and Properties. Berlin: Springer, 1990.
  5. Шаронов М.Ю., Братусь А.Л., Севастьянов Б.К., Жмурова З.И., Быстрова А.А., Кривандина Е.А., Демьянец Л.Н., Соболев Б.П. Исследование люминесценции, поглощения из возбужденного состояния в нестехиометрических кристаллах со структурой флюорита // Кристаллография. 1993. Т. 38. № 6. С.184–193.
  6. Orlovskii Y.V., Basiev T.T., Osiko V.V., Gross H., Heber J. Fluorescence Line narrowing (FLN) and Site-Selective Fluorescence Decay of Nd3+ Centers in CaF2 // J. Lumin. 1999. V. 82. P. 251–258.
  7. Alimov O.K., Basiev T.T., Doroshenko M.E., Fedorov P.P., Konyuskin V.A., Nakladov A.N., Osiko V.V. Investigation of Nd3+ Ions Spectroscopic and Laser Properties in SrF2 Fluoride Single Crystal // Opt. Mater. 2012. V. 34. № 5. P. 799–802. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2011.11.010
  8. Basiev T.T., Doroshenko M.E., Konyushkin V.A., Osiko V.V. SrF2:Nd3+ Laser Fluoride Ceramics // Opt. Lett. 2010. V. 35. № 23. P. 4009–4011. https://doi.org/10.1364/OL.35.004009
  9. Гришуткина Т.Е., Дорошенко М.Е., Карасик А.Я., Конюшкин В.А., Конюшкин Д.В., Накладов А.Н., Осико В.В, Цветков В.Б. Фторидные планарные волноводы для усилителей и лазеров // Квантовая электроника. 2015. Т. 8. С. 717–719.
  10. Moncorge R., Braud A., Camy P., Doualan J.L. Fluoride Laser Crystals. // Handbook on Solid-State Lasers: Materials, Systems and Applications/ Ed. Denker B., Shklovsky E. Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials. 2013. Р. 82–109.
  11. Sobolev B.P. The Rare Earth Trifluorides. Part 2. Introduction to Materials Science of Multicomponent Metal Fluoride Crystals. Barcelona: Institut d`Estudis Catalans, 2001. 459 p.
  12. Осико В., Щербаков И. Твердотельные лазеры. Часть 2 // Фотоника. 2013. Т. 4. № 40. С. 24–45.
  13. Попов П. А., Моисеев Н. В., Каримов Д. Н., Сорокин Н.И., Сульянова Е.А., Соболев Б. П., Конюшкин В.А., Федоров П.П. Теплофизические характеристики кристаллов твердого раствора Ca1-xSrxF2 (0 £ x £ 1) // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 1. С. 116–122.
  14. Takahashi K, Cadatal-Raduban M., Sarukura N., Kawamata T., Sugiyama K., Fukuda T. Crystal Growth and Characterization of Large Ca0.582Sr0.418F2 Single Crystal by Czochralski Method Using Cone Die // J. Cryst. Growth. 2024. V. 628. Р. 127541.
  15. Ушаков С.Н., Усламина М.А., Нищев К.Н., Мишкин В.П., Царев В.С., Судьин А.В., Юдина Я.А. Параметры джадда-офельта и спектроскопические характеристики ионов Er3+ в кристаллах CaF2 и твердом растворе CaF2-SrF2 // Оптика и спектроскопия конденсированных сред. Матер. XXVII междунар. конф. Краснодар. 2021. С. 156–160.
  16. Попов П.А., Круговых А.А., Конюшкин В.А., Накладов А.Н., Ушаков С.Н., Усламина М.А., Нищев К.Н., Кузнецов С.В., Федоров П.П. Теплопроводность монокристаллов твердых растворов системы CaF2–SrF2–BaF2–YbF3 // Неорган. материалы. 2023. Т. 59. № 5. С. 529–533. https://doi.org/10.31857/S0002337X23050135
  17. Басиев Т.Т., Васильев С.В., Дорошенко М.Е., Конюшкин В.А., Кузнецов С.В., Осико В.В., Федоров П.П. Эффективная генерация кристаллов твердых растворов CaF2-SrF2:Yb3+ при диодной лазерной накачке // Квантовая электроника. 2007. Т. 37. № 10. С. 934–937.
  18. Karimov D.N., Buchinskaya I.I., Ivanova A.G., Il’ina O.N., Ivanovskaya N.A., Sorokin N.I., Sobolev B.P., Glushkova T.M., Ksenofontov D.A. Growth of Fluorite Solid Solution Crystals in the Ternary SrF2-BaF2-LaF3 System and Investigation of their Properties // Cryst. Rep. 2018. V. 63. P. 1015–1021.
  19. Chunhui Zhu, Bingchu Mei, Jinghong Song, Weiwei Li, Zuodong Liu. Fabrication and Optical Characterizations of CaF2–SrF2–NdF3 Transparent Ceramic // Mater. Lett. 2015. V. 167. № 10. P. 115–117. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.12.083
  20. Hongran Ling, Bingchu Mei,Weiwei Li, Yu Yang, Yongqiang Zhang, Xinwen Liu. Synthesis and Optical Characterizations of Yb3+:CaxSr1-xF2 Transparent Ceramics // Crystals. 2021. V. 11. № 6. P. 652. https://doi.org/10.3390/cryst11060652
  21. Basyrova L., Loiko P., Benayad A., Brasse G., Doualan J.-L., Braud A., Hideur A., Camy P. Growth and Mid-Infrared Emission Properties of “Mixed” Fluorite-Type Er:(Ca,Sr)F2 and Er:(Ba,Sr)F2 Crystals // EPJ Web of Conferences. 2022. V. 266. Р.06001. https://doi.org/10.1051/epjconf/202226606001
  22. Normani S., Loiko P., Basyrova L., Benayad A., Braud A., Dunina E., Fomicheva L., Kornienko A., Hideur A., Camy P. Mid-Infrared Emission Properties of Erbium-Doped Fluorite-Type Crystals // Opt. Mater. Express. 2023. V. 13. № 7. P. 1836–1850.
  23. Fratello V.J., Boatner L.A., Dabkowska H.A., Dabkowski A., Siegrist Th., Wei K., Guguschev Ch., Klimm D., Brützam M., Schlom D.G., Subramanian Sh. Solid Solution Perovskite Substrate Materials with Indifferent Points // J. Cryst. Growth. 2024. V. 634. Р. 127606. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127606
  24. Kuznetsov S.V., Fedorov P.P. Morphological Stability of Solid-Liquid Interface During Melt Crystallization of Solid Solutions M1-xRxF2+x // Inorg. Mater. 2008. V. 44. № 13 (Supplement). P. 1434–1458. https://doi.org/10.1134/S0020168508130037
  25. Федоров П.П., Бучинская И.И. Проблемы пространственной однородности кристаллических материалов и точки конгруэнтного плавления седловинного типа в тройных системах // Успехи химии. 2012. Т. 81. № 1. С. 1–20.
  26. Стасюк В.А. Изучение седловинных точек на поверхностях ликвидуса и солидуса в тройных системах с трифторидами редкоземельных элементов: Дис. … канд. хим. наук. М.: МИТХТ им. М.В.Ломоносова, 1998.
  27. Гиббс Д.У. Термодинамика. Статистическая механика. М.: Наука, 1982.
  28. Fedorov P.P. Сompositions of Congruently Melting Three-Component Solid Solutions Determined by Finding Acnodes on Ternary System Fusion Surfaces // Growth of Crystals. V.20/ Ed. Givargizov E.I, Melnicova A.M. N.Y., L.: Consultants Bureau, 1996. P. 103–116.
  29. Федоров П.П., Бучинская И.И., Стасюк В.А., Бондарева О.С. Седловинные точки на поверхности ликвидуса твердых растворов в системах PbF2-CdF2-RF3 (R – редкоземельные элементы) // Журн. неорган. химии. 1996. Т. 41. № 3. С.464–468.
  30. Стасюк В.А., Бучинская И.И., Устьянцева Н.А., Федоров П.П., Арбенина В.В. Изучение поверхностей ликвидуса и солидуса твердых растворов со структурой флюорита в системе CaF2-SrF2-LaF3 // Журн. неорган. химии. 1998. Т. 43. № 8. С.1372–1375.
  31. Федоров П.П., Ивановская Н.И., Стасюк В.А., Бучинская И.И., Соболев Б.П. Изучение фазовых равновесий в системе SrF2 -ВaF2-LaF3 // Докл. РАН. 1999. Т. 366. № 4. С. 500–502.
  32. Стасюк В.А., Бучинская И.И., Устьянцева Н.А., Федоров П.П. Фазовая диаграмма системы CaF2-SrF2-NdF3 // Журн. неорган. химии. 1998. Т. 43. № 5. С. 844–848.
  33. Федоров П.П., Стасюк В.А., Ивановская Н.А., Бучинская И.И., Исаев С.В., Папашвили А.Г. Кристаллизация твердого раствора флюоритовой структуры в системе СaF2 - SrF2 - NdF3 в окрестности седловинной точки на поверхности ликвидуса // Докл. РАН. 1999. Т. 369. № 2. С. 217–219.
  34. Trnovcová V., Fedorov P.P., Furár I. Fluoride Solid Electrolytes // Russ. J. Electrochem. 2009. V. 45. № 6. P. 630–639.
  35. Сорокин Н.И., Каримов Д.Н., Кривандина Е.А., Жмурова З.И., Комарькова О.Н. Ионная проводимость конгруэнтно плавящихся монокристаллов Ca0.6Sr0.4F2 и Ca1-x-ySryRxF2+x (R = La, Ce, Pr, Nd) со структурой флюорита // Кристаллография. 2008. Т. 53. № 2. С. 297–303.
  36. Ming Zhang, Xiaocao Cao, Yaowei Hao, Haodong Wang, Jian Pu, Bo Chi, Zhongrong Shen. Recent Progress, Challenges and Prospects of Electrolytes for Fluoride-ion Batteries // Energy Rev. 2024. Р. 100083. https://doi.org/10.1016/j.enrev.2024.100083
  37. Попов П.А., Федоров П.П. Теплопроводность фторидных оптических материалов. Брянск: группа компаний “Десяточка”, 2012. 210 с. ISBN 978–5-91877–093–1
  38. Liu K., Bian G., Zhang Z., Ma F., Su L. Modelling and Analyzing the Glass-Like Heat Transfer Behavior of Rare-Earth Doped Alkaline Earth Fluoridecrystals // CrystEngComm. 2022. V. 24. P. 6468.
  39. Liu K., Bian G., Zhang Z., Ma F., Su L. Simulation and Demonstration of Glass-Like Heat Transfer Equations in Rare-Earth Doped Alkaline Earth Fluoride Crystals // Chin. J. Phys. 2024. V. 88. P. 584–593.
  40. Matthiessen A., Vogt C. On the Influence of Temperature on the Electric Conducting-Power of Alloys // Phil. Trans. Royal Soc. London. 1864. V. 154. P. 167–200.
  41. Lifshits I.M. Electron Theory of Metals. N.Y.: Springer, 1973.
  42. Popov P.A., Shchelokov A.V., Fedorov P.P. Numerical Model of Temperature-Dependent Thermal Conductivity in M1-xRxF2+x Heterovalent Solid Solution Nanocomposites, where M Stands for Alkaline-Earth Metals and R for Rare-Earth Metals // Nanosyst.: Phys., Chem., Math. 2024. V. 15. № 2. P. 255–259. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2024-15-2-255-259
  43. Popov P.A., Shchelokov A.V., Konyushkin V.A., Nakladov A.N., Fedorov P.P. Application of the Numerical Model of Temperature-Dependent Thermal Conductivity in Ca1-xYxF2+x Heterovalent Solid Solution Nanocomposites Metals // Nanosyst.: Phys., Chem., Math. 2024. V. 15 (в печати)
  44. Popov P.A., Sidorov А.А., Kul’chenkov Е.А., Аnishchenko А.М., Аvetisov I.Sh., Sorokin N.I., Fedorov P.P. Thermal Conductivity and Expansion of PbF2 Single Crystal // Ionics. 2017. V. 23. № 1. P. 233–239. https://doi.org/101007/s11581-016-1802-2
  45. Берман Р. Теплопроводность твердых тел. М.: Мир, 1979. 286 с.
  46. Попов П.А., Федоров П.П., Конюшкин В.А. Теплопроводность гетеровалентных твердых растворов Ca1-xRxF2+x (R = La, Ce, Pr) // Кристаллография. 2015. Т. 60. № 5. С. 810–815.
  47. Попов П.А., Федоров П.П., Кузнецов С.В., Конюшкин В.А., Осико В.В., Басиев Т.Т. Теплопроводность монокристаллов твердого раствора Ca1-xYbxF2+x // Докл. РАН. 2008. Т. 419. № 5. С. 615–617.
  48. Попов П.А., Федоров П.П., Конюшкин В.А., Накладов А.Н., Басиев Т.Т. Переход от кристаллического к стеклообразному характеру температурной зависимости теплопроводности в твердом растворе Sr0.16Ba0.54La0.30F2.30 // Неорган. материалы. 2010. Т. 46. № 5. С. 621–625.
  49. Sobolev B.P, Golubev A.M., Herrero P. Fluorite M1-xRxF2+x Phases (M = Ca, Sr, Ba; R = Rare Earth Elements) as Nanostructured Materials // Crystallogr. Rep. 2003. V. 48. P. 141–161. https://doi.org/10.1134/1.1541755
  50. Greis O., Haschke J.M. Rare Earth Fluorides. In Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths/ Eds. Gscheidner K.A., Eyring L.R. Netherlands: Elsevier, 1982. V. 5. P. 387−460.
  51. Fedorov P.P. Association of Point Defects in Non Stoichiometric M1-xRxF2+x Fluorite-Type Solid Solutions // Bull. Soc. Cat. Cien. 1991. V. 12. № 2. P. 349–381.
  52. Andeen C.G., Fontanella J.J., Wintersgill M.C., Welcher P.J., Kimble R.J., Matthews G.E. Clustering in Rare-Earth-Doped Alkaline Earth Fluorides // J. Phys. C.: Solid State Phys. 1981. V. 14. № 24. P. 3557–3574.
  53. Meuldijk J., Mulder H. H., Hartog den H. W. Depolarization Experiments on Space Charges in Concentrated Solid Solutions of NdF3 in SrF2 // Phys. Rev. B: Condens. Matter. 1982. V. 25. № 8. P. 5204–5213. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.25.5204
  54. Мурадян Л.А., Максимов Б.А., Мамин Б.Ф., Быданов Н.Н., Сарин В.А., Соболев Б.П., Симонов В.И. Атомное строение нестехиометрической фазы Sr0.69La0.31F2.31 // Кристаллография. 1986. Т. 31. № 2. С. 248–251.
  55. Sulyanova E.A., Karimov D.N., Sobolev B.P. Displacements in the Cationic Motif of Nonstoichiometric Fluorite Phases Ba1-xRxF2+x as a Result of the Formation of {Ba8[R6F68–69]} Clusters: III. Defect Cluster Structure of the Nonstoichiometric Phase Ba0.69La0.31F2.29 and Its Dependence on Heat Treatment // Crystals. 2021. V. 11. № 4. P. 447. https://doi.org/10.3390/cryst11040447
  56. Sulyanova E.A., Sobolev B.P. The Universal Defect Cluster Architecture of Fluorite-Type Nanostructured Crystals // CrystEngComm. 2022. V. 24. P. 3762−3769.
  57. Sulyanova E.A., Sobolev B.P. Application of KR3F10 (R = Gd−Lu and Y) Polymorphism for Modeling the Defect Structure of Nonstoichiometric Multicomponent Fluorite-type Crystals in T-x Systems // J. Phys. Chem. C. 2024. V. 128. P. 4200–4207. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c08137
  58. Сульянова Е.А., Болотина Н.Б., Каримов Д.Н., Верин И.А., Соболев Б.П. Наноструктурированные кристаллы флюоритовых фаз Sr1–xRxF2+x (R – редкоземельные элементы) и их упорядочение. 14. Концентрационная зависимость дефектной структуры нестехиометрической фазы Sr1–xNdxF2+x “as grown” (x = 0.10, 0.25, 0.40, 0.50) // Кристаллография. 2019. Т. 64. № 2. С. 196–202. https://doi.org/10.1134/S0023476119020310
  59. Сульянова Е.А., Болотина Н.Б., Калуканов А.И., Сорокин Н.И., Каримов Д.Н., Верин И.А., Соболев Б.П. Наноструктурированные кристаллы флюоритовых фаз Sr1–xRxF2+x (R – редкоземельные элементы) и их упорядочение. 13. Кристаллическая структура SrF2 и концентрационная зависимость дефектной структуры нестехиометрической фазы Sr1-xLaxF2+x “as grown” (x = 0.11, 0.20, 0.32, 0.37, 0.47) // Кристаллография. 2019. Т. 64. № 1. С.47–56. https://doi.org/10.1134/S0023476119010284
  60. Федоров П.П., Попов П.А. Принцип эквивалентности источников беспорядка и теплопроводность твердых тел // Наносистемы: физика, химия, математика. 2013. T. 4. № 1. C. 148–159.
  61. Федоров П.П., Сорокин Н.И., Попов П.А. Обратная корреляция ионной проводимости и теплопроводности монокристаллов твердых растворов М1-xRxF2+x (М = = Сa, Ba; R – редкоземельные элементы) флюоритовой структуры // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 6. С. 626–632. https://doi.org/10.7868/S0002337X17060033

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Photograph of single crystals of Ca1-x-ySrxNdyF2+y solid solution.

Download (24KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. X-ray radiograph of the interrupted single crystal of the composition Ca0.7Sr0.2Nd0.1F2.1. (lattice parameter a = 5.612(1) Å).

Download (11KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Transmission spectrum of single crystal of Ca0.6Sr0.2Nd0.2F2.2 (sample thickness 15 mm)

Download (24KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Temperature dependences of thermal conductivity of single crystals of solid solution of CaF2-SrF2-NdF3 system (curves are the result of numerical approximation).

Download (36KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of thermal conductivity of Ca0.8-x-ySrxNd0.2F2.2 solid solution on strontium difluoride content.

Download (12KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Dependences of the parameter A on the content of NdF3 in Ca1-x-ySrxNdyF2+y crystals and of the parameter a3 on the content of Sr in Ca1-xSrxF2 “matrices”.

Download (22KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences