Высокоэнтропийные колумбиты: структура, оптические и электрические свойства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Впервые синтезированы высокоэнтропийный состав (Mg0.2Zn0.2Ni0.2Co0.2Mn0.2)Nb2O6 со структурой колумбита и его Ti-замещенный состав (5%). Синтез проведен модифицированным методом сжигания растворов с последующим высокотемпературным спеканием. Методами рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии проведена аттестация образцов. По данным диффузных спектров отражения рассчитана ширина запрещенной зоны прямого разрешенного электронного перехода (Egпр ≈ 2.98–3.05 эВ). Твердые растворы характеризуются преимущественно электронной проводимостью. Замещение катионами титана приводит к увеличению проводимости на 1.2 порядка в области температур 160–750°C.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. С. Королева

Институт химии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН

Email: marikorolevas@gmail.com
Россия, Сыктывкар

В. С. Максимов

Институт химии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН; Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина

Автор, ответственный за переписку.
Email: marikorolevas@gmail.com
Россия, Сыктывкар; Сыктывкар

Д. А. Королев

Университет ИТМО

Email: marikorolevas@gmail.com
Россия, Санкт-Петербург

И. В. Пийр

Институт химии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН

Email: piyr-iv@chemi.komisc.ru
Россия, Сыктывкар

Список литературы

  1. Lee, H.J., Hong, K.S., Kim, S.J., and Kim, I.T., Dielectric properties of MNb2O6 compounds (where M = Ca, Mn, Co, Ni, or Zn), Mater. Res. Bull., 1997, vol. 32, p. 847.
  2. Belous, A., Ovchar, O., Jancar, B., Spreitzer, M., Annino, G., Grebennikov, D., and Mascher, P., The effect of chemical composition on the structure and dielectric properties of the columbites A2+ MNb2O6, J. Electrochem. Soc., 2009, vol. 156, p. G206.
  3. Zhang, Y.C., Yue, Z.X., Gui, Z.L., and Li, L.T., Microwave dielectric properties of (Zn1–xMgx) Nb2O6, ceramics, Mater. Lett., 2003, vol. 57, p. 4531.
  4. Zhang, Y.C., Yue, Z.X., Qi, X., Li, B., Gui, Z.L., and Li, L.T., Microwave dielectric properties of Zn(Nb1–xTax)2O6 ceramics, Mater. Lett., 2004, vol. 58, p. 1392.
  5. Kim, J.H. and Kim, E.S., Effect of isovalent substitution on microwave dielectric properties of Mg4Nb2O9 ceramics, J. Electron. Mater., 2019, vol. 48, p. 2411.
  6. Thirumal, M. and Ganguli, A.K., Synthesis and dielectric properties of magnesium niobate-magnesium tantalate solid solutions, Mater. Res. Bull., 2001, vol. 36, p. 2421.
  7. Pullar, R.C., Vaughan, C., and McN Alford, N., The effects of sintering aids upon dielectric microwave properties of columbite niobates, M2+Nb2O6, J. Phys. D. Appl. Phys., 2004, vol. 37, p. 348.
  8. Huang, Z. and Li L., Enhanced microwave dielectric performances of niobate structured Zn(Nb1-2xZrxWx)2O6 ceramics, Ceram. Int., 2024, vol. 50, p. 12081.
  9. Cheng, Ch., Wu, D., Gong, T., Yan, Y., Liu, Y., Ji, W., Hou, L., and Yuan, Ch., Internal and external cultivation design of zero‐strain columbite‐structured MNb2O6 toward lithium-Ion capacitors as competitive anodes, Adv. Energy Mater., 2023, vol. 13, p. 2302107.
  10. De Luna, Y., N.B., Ma, Sh., Li, G., and Bensalah, N., Highly stable free-standing cobalt niobate with orthorhombic structure as anode material for Li-ion batteries, ChemElectroChem, 2024, vol. 11, p. e202300627.
  11. Morkhova, Y.A., Koroleva, M.S., Egorova, A.V., Pimenov, A.A., Krasnov, A.G., Makeev, B.A., Blatov, V.A., and Kabanov, A.A., Magnocolumbites Mg1–xMxNb2O6–δ (x = 0, 0.1, and 0.2; M = Li and Cu) as new oxygen ion conductors: Theoretical Assessment and Experiment, J. Phys. Chem. C, 2023, vol. 127, p. 52.
  12. Morkhova, Y.A., Koroleva, M.S., Egorova, A.V., Krasnov, A.G., Starostina, I.A., and Kabanov, A.A., Exhaustive study of electrical conductivity in the MNb2–xTixO6–0.5x (M = Mg, Ca, Zn; x = 0, 0.1, 0.2) columbites, ECS Adv., 2024, vol. 3, p. 024504.
  13. Arroyo Y De Dompablo, M.E., Lee, Y.L., and Morgan, D., First principles investigation of oxygen vacancies in columbite MNb2O6 (M = Mn, Fe, Co, Ni, Cu), Chem. Mater., 2010, vol. 22, p. 906.
  14. López-Blanco, M., Amador, U., and García-Alvarado, F., Structural characterization and electrical properties of NiNb2–xTaxO6 (0 ≤ x ≤ 2) and some Ti-substituted derivatives, J. Solid State Chem., 2009, vol. 182, p. 1944.
  15. Orera, A., García-Alvarado, F., and Irvine, J.T.S., Effect of Ti-substitution on the electrical properties of MnNb2O6–δ, Chem. Mater., 2007, vol. 19, p. 2310.
  16. Sarkar, A., Wang, Q., Schiele, A., Chellali, M.R., Bhattacharya, S.S., Wang, D., Brezesinski, T., Hahn, H., Velasco, L., and Breitung, B., High-Entropy oxides: fundamental aspects and electrochemical properties, Adv. Mater., 2019, vol. 31, p. 1806236.
  17. Li, F., Zhou, L., Liu, J.X., Liang, Y., and Zhang, G.J., High-entropy pyrochlores with low thermal conductivity for thermal barrier coating materials, J. Adv. Ceram., 2019, vol. 8, p. 576.
  18. Ren, K., Wang, Q., Shao, G., Zhao, X., and Wang, Y., Multicomponent high-entropy zirconates with comprehensive properties for advanced thermal barrier coating, Scr. Mater., 2020, vol. 178, p. 382.
  19. Feng, C., Zhou, Y., Chen, M., Zou, L., Li, X., An, X., Zhao, Q., Xiaokaiti, P., Abudula, A., Yan, K., and Guan, G., High-entropy spinel (FeCoNiMnAl)3O4 with three-dimensional microflower structure for stable seawater oxidation, Appl. Catal. B Environ. Energy, 2024, vol. 349, p. 123875.
  20. Rodríguez-Carvajal, J., Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction, Phys. B Phys. Condens. Matter, 1993, vol. 192, p. 55.
  21. Shannon, R.D., Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomie distances in halides and chaleogenides, Acta Cryst. А, 1976, vol. 32, p. 751.
  22. Pullar, R.C., The synthesis, properties, and applications of columbite niobates (M2+Nb2O6): A critical review, J. Am. Ceram. Soc., 2009, vol. 92, p. 563.
  23. Brahma, S., Choudhary, R.N.P., and Thakur, A.K., AC impedance analysis of LaLiMo2O8 electroceramics, Phys. B Condens. Matter., 2005, vol. 355, p. 188.
  24. Nasri, S., Oueslati, A., Chaabane, I., and Gargouri, M., AC conductivity, electric modulus analysis and electrical conduction mechanism of RbFeP2O7 ceramic compound, Ceram. Int., 2016, vol. 42, p. 14041.
  25. Tan, K.B., Khaw, C.C., Lee, C.K., Zainal, Z., Tan, Y.P., and Shaari, H., High temperature impedance spectroscopy study of non-stoichiometric bismuth zinc niobate pyrochlore, Mater. Sci. Pol., 2009, vol. 27, p. 947.
  26. Tan, P.Y., Tan, K.B., Khaw, C.C., Zainal, Z., Chen, S.K., and Chon, M.P., Structural and electrical properties of bismuth magnesium tantalate pyrochlores, Ceram. Int., 2012, vol. 38, p. 5401.
  27. Koroleva, M.S., Ishchenko, A.V., Vlasov, M.I., Krasnov, A.G., Istomina, E.I., Shein, I.R., Weinstein, I.A., and Piir, I.V., Structural, Optical, Luminescence, and Electrical Properties of Eu/Li- and Eu/Na-Codoped Magnesium Bismuth Niobate Pyrochlores, Inorg. Chem., 2022, vol. 61, p. 9295.
  28. Kamimura, S., Abe, S., Tsubota, T., and Ohno, T., Solar-driven H2 evolution over CuNb2O6: Effect of two polymorphs (monoclinic and orthorhombic) on optical property and photocatalytic activity, J. Photochem. Photobiol. A Chem., 2018, vol. 356, p. 263.
  29. El Bachiri, A., El Hasnaoui, M., Louardi, A., Narjis, A., and Bennani, F., Structural and dielectric studies for the conduction mechanism analyses of lithium-niobate oxide ferroelectric ceramics, Phys. B Condens. Matter., 2019, vol. 571, p. 181.
  30. Jonscher, A.K., A new understanding of the dielectric relaxation of solids, J. Mater. Sci., 1981, vol. 16, p. 2037

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1 Экспериментальная и теоретическая рентгенограммы и их разностный профиль для ВЭК и ВЭК-Ti0.1

Скачать (146KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Микрофотографии ВЭК (состав по ЭДС: (Mg0.19Mn0.19Ni0.18Co0.19Zn0.18)Nb2O6–δ) и ВЭК-Ti0.1 (состав по ЭДС: 1 – (Mg0.18Mn0.19Ni0.18Co0.18Zn0.18)Nb1.9Ti0.10O6–δ, 2 –(Mg0.14Mn0.28Ni0.86Co0.56Zn1.20)Nb0.3TiO6–δ).

Скачать (215KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости параметра решетки а (а) и объема элементарной ячейки Vяч (б) от ионного радиуса катионов в А-позициях структуры колумбита ANb2O6. Данные параметров и объема решетки для индивидуальных колумбитов взяты из работы [22], ионные радиусы взяты по Shannon [21].

Скачать (139KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Спектры поглощения и зависимости Тауца (вставка) для ВЭК и ВЭК-Ti0.1 для прямого разрешенного электронного перехода.

Скачать (182KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Графики Найквиста для ВЭК и ВЭК-Ti0.1 при 200, 320, 460 и 600°C.

Скачать (342KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Частотные зависимости мнимой составляющей электрического модуля M'' и импеданса –Z'' для ВЭК (а) и ВЭК-Ti0.1 (б), нормированные графики мнимой составляющей электрического модуля M''/M''макс от нормированной частоты f/fмакс (в), зависимость частоты при максимуме M'' от обратной температуры (г).

Скачать (666KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Частотные зависимости проводимости для ВЭК (а) и ВЭК-Ti0.1 (б) (красная линия соответствует моделированию кривой по закону Йоншера), зависимость проводимости на постоянном токе, полученной по уравнению Йоншера, от обратной температуры (в).

Скачать (427KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости проводимости от обратной температуры: (а) для ВЭК, ВЭК-Ti0.1 на постоянном токе, для MgNb2O6 (1 кГц) [11] и MnNb2–xTixO6–δ (x = 0, 0.1) [15] на переменном токе; (б) для ВЭК и ВЭК-Ti0.1 при использовании серебряных электродов (Ag|S|Ag) и ионблокирующего электрода углерода (Ag|S|С) (S-образец) на постоянном токе.

Скачать (290KB)
Метаданные

Примечание

1 По материалам доклада на 17-м Международном Совещании “Фундаментальные и прикладные проблемы ионики твердого тела”, Черноголовка, 16–23 июня 2024 г.


© Российская академия наук, 2025