Как обсуждалось ранее, структура пирохлора способна вместить огромное разнообразие элементов и их комбинаций, с различной заселенностью и необычной стехиометрией. Обзор системы пирохлора, описывающей богатство материалов, принимающих эту структуру, и их свойства был опубликован Субраманианом и его сотрудниками в 1983 году. В настоящее время, работы многих исследователей во всем мире расширили спектр известных материалов до нескольких сотен фазовых составов, которые хорошо исследованы.

Материалы семейства пирохлора имеют преимущественно кубическую симметрию и ионный характер, позволяющие ионное замещение на всех трех доступных позициях A, B и X, обеспечивая соблюдение критериев нейтрального заряда и ионных радиусов. Помимо этого, кристаллическая структура также позволяет замену в позициях А и X, чтобы может привести к дальнейшему повышение спектра доступных материалов. Пирохлоры демонстрируют широкий спектр физических свойств, зависящий от различных элементов и их степеней окисления. Современные исследования в химии пирохлора более сосредоточены на сегнетоэлектрических, магнитных и электронных свойствах членов этого семейства, которые содержат переходные элементы на позиции B, в первую очередь из-за их возможного применения.

Наличие этого широкого спектра доступных электронных состояний привело к идентификации пирохлоров, с различными электрическими свойствами — с высокими изолирующими свойствами (Gd2Ti2O7), полупроводниковыми (CaNdNb2O7) и керамикам, имеющими металлический характер (Sm2Mo2O7). Также наблюдается в некоторых фазах пирохлора наблюдаются сверхпроводниковые свойства, впервые обнаруженные в фазе альфа-типа Cd2Re2O7, а недавно и AOs2O6 (A = K, Rb и Cs).

Магнитные свойства также распространены в этом классе материалов. В структурах пирохлора существуют три структурные возможности, которые приводят к различным магнитным свойствам: A-позиция или B-сайт могут быть заняты ионам, обеспечивающие данные свойства, или же заняты обе позиции подобными ионами. Пространственное расположение этих позиций приводит к двум независимым сетям углового обмена между многогранниками с различными видами металлов, потенциально присутствующих на каждом из них. Это является относительно распространенным явлением для материалов с магнитными свойства, когда размещение происходит на обеих позициях, к примеру, как в Tb2Ru2O7.

Пирохлоры с магнитными ионами только на позиции А привлекли значительное внимание в последние годы, в частности фазы A2Ti2O7 с лантаноидом, занимающим на позиции А, из-за некоторых необычных свойств, которые возникают из результирующей магнитной неустойчивости и их потенциального применения в мультиферроиках. Степень искажения структуры пирохлора, несмотря на остающуюся кубическую сингонию, приводит к тому что, атом позиции А, согласуется с восемью ионами кислорода — шестью на 48f и двумя на 8b позициях. В таких материалах, как Gd2Ti2O7, это приводит к конформации кольца сжатого типа с двумя короткими и шестью длинными связями Gd-O 2,21 и 2.55Å соответственно. Этот факт является нетипичным, поскольку они наиболее короткими связями по сравнению с любым соединение гадолиний / кислород, со значительным уровнем структурного искажения. Эта способность к конструктивному искажению при сохранении высоко-симметричной кубической системы является ключевым фактором к дальнейшему использованию магнитных свойств и позволяет модифицировать материалы путем изменения стехиометрического состава.

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Заказать реферат

Такое свойство как магнетосопротивления наблюдается в нескольких фазах. В первую очередь, огромный интерес представляет Tl2Mn2O7, который проявляет колоссальное магнетосопротивления (CMR). К тому же, он был первым зафиксированным и изученным не-перовскитоподобным соединением с данным свойством, отличающимся от обычного механизма магнетосопротивления, известного к моменту его открытия. Эти эффекты представляют особый технологический интерес, поскольку они могут быть использованы для обнаружения магнитных полей в магнитных запоминающих устройствах, используемых в жестких дисках. В разной степени магнитосопротивление наблюдается в нескольких фазах пирохлора таких как, в A2Mo2O7 (А = Gd и Tb) и Lu2V2O7, но в химии в этой области, как и с другими оксидами металлов, доминируют марганец-содержащие материалы. В ряде выявленных соединений замещение может осуществляться как на А , та и B-позиций, однако наиболее часто наблюдается сохранение марганца на B-позиции как в Tl2Mn2-xRuxO7 и Tl2-xNxMn2O7.

Особое внимание стоит уделить серии A2B2O7 (A = Dy или Hо, a B = Ti или Sn), которые ведут себя как спиновый лед. Этот термин используется для описания материалов, чья атомная структура, позволяет ненулевую остаточную энтропию. Эти геометрически неустойчивые магнитные системы были тщательно изучены, чтобы лучше понять эту особенность, однако обнаруживаются новые материалы и увеличивается понимание их происхождения. Аналогичное поведение ранее наблюдалось в фторидных аналогах, например CsNiCrF6, где методом низкотемпературной нейтронной дифракции, исследования показали высокую степень антиферромагнитного фрустрации в результате неупорядоченного состояния. Это приводит к сильной корреляции между ближайшими спинами, но без каких-либо существенных более длинных корреляций, как у материала, который будет вести себя как спиновая жидкость.

Некоторые группы пирохлоров, как, например, рутенаты, были широко изученных за счет их технологического значения в качестве материалов электродов, катализаторов и компонентов в толстопленочных резисторов, наряду с их необычными электронными свойствами. Электронные свойства рутенатов представляют интерес, так как 4d электроны рутения находятся на границе между локализованным и зонным поведением. Например, рутенат висмута Bi2Ru2O7 и рутенат свинца Pb2Ru2O6.5 являются металлическими Паули парамагнетиками, отображающие почти не зависящие от температуры сопротивление, тогда как рутенаты редкоземельных элементов Ln2Ru2O7 (Ln = Pr-Lu) все являются полупроводниками.

Помимо всего этого, другие свойства пирохлоров также представляют интерес для практического применения. Контролировать данные свойства можно путем изменения таких параметров, как выбор катионов, поляризуемость этих ионов, их электронная конфигурация, а в некоторых случаях, размер частиц, который может варьироваться в зависимости от выбранного метода синтеза. Несколько материалы из пирохлоров нашли применение в твердотельных устройствах в качестве термисторов, толстопленочных резисторов и коммутационных элементов.

Пирохлоры уже давно используются в качестве компонента керамических форм для радиоактивных отходов. В первую очередь в иммобилизации актинидов, в частности, плутония в материале SynRoc, использующийся в коммерческих целях с начала 1970-х годов. Последние десятилетия велась работа в более конкретном использовании чистых пирохлорных материалов в качестве хозяев в соединениях типа хозяин-гость для этих радиоактивных ядер. Особый интерес представляют различные пирохлоры на основе титанатов из-за их химической стабильности, однако, кристаллическая решетка данных соединений разрушается под действием радиационного излучения, из за альфа-распада актинидов. Вследствие экспериментов, было выяснено, что цирконаты со структурой пирохлора также обладают устойчивостью к альфа-излучению. В дополнение к химической стабильности эти пирохлороподобные соединения обладают дополнительными особенностями будучи устойчивым к кислотам и стабильными геологически.

Другие способы применения в области ядерного топлива включали возможность использования цирконатов в производстве инертных матричных топлив, материалы, которые не включают в себя «потенциальные» нуклиды (например, переход 238U 239Pu в результате захвата нейтрона и последующих реакций бета-распада). Данная методика уже применяется примерно на 40 атомных станциях в Европе, и обеспечивает естественный распад делящихся актинидов, с безопасным дальнейшим использованием при производстве электроэнергии.

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Некоторые пирохлоры были идентифицированы как потенциально полезные материалы для производства топливных элементов. Рутенаты вида A2Ru2O7 (A = Pb и Bi) были предложены в качестве катодных материалов для твердооксидных топливных элементов. Эти материалы демонстрируют низкий катодный потенциал даже при высоких рабочих температурах, ~800°C, высокую электропроводность и отсутствие реакций с оксидом циркония, стабилизированного оксидом иттрия, часто использующегося в топливных элементах данного типа. Текущие исследования этих фаз показали, что введение допирование катионами A-типа, приводящих к соединению типа A2AxRu2-xO7, может значительно повысить уровень наблюдаемого восстановления кислорода, что привело к тестированию этих материалов для использования, как в жидкостных, так и в газовых топливных элементах.Другие материалы, такие как Y2Zr2-yTyO7 c неупорядоченных структурами проявляют свойства ионной проводимости.

В течение последнего десятилетия пирохлоры также были изучены с точки зрения теплопроводности, в частности, в отношении к их потенциальному использованию в турбинах, в качестве катализатора при высокой температуре и других сферах, где могут быть использованы керамики с низкой теплопроводностью. Чтобы увеличить максимальную рабочую температуру высокотемпературных сплавов они могут быть покрыты керамическим слоем в несколько сотен микрон толщиной, предотвращающим воздействие на них интенсивного тепла и тем самым повышая эффективность многих процессов. В настоящее время, предпочтительным теплозащитным покрытием является стабилизированный оксидом иттрия диоксид циркония (обычно (Y2O3)0,08(ZrO2)0.92), который имеет теплопроводность около 2-3 Вт/(м·K-1), однако существует несколько оксидов и в частности, некоторые пирохлорные материалы, способные стать новым поколением этих материалов. Сегодня Gd2Zr2O7 является одним из более всего исследованных и успешно синтезируемых керамик, что используются в качестве барьерного покрытия для сплавов на основе никеля. Современные исследования в этой области сосредоточены на влиянии легирования с различными лантаноидами на А-позиции и продвигаются проектами NASA.

Серия материалов Ln2Zr2O7 (Ln = Sm, Eu и Gd) потенциально может получить применение в качестве катализатора горения метана в газовой турбине при производстве электроэнергии, снижая температуру сгорания и подавляя образования NOx, следовательно, повышения эффективность процесса. Высокий уровень термической стабильности в сочетании с высокой термостойкостью этих материалов позволяет использовать данные материалы в сложных условиях, таких как эти, где небольшие изменения в процессе могут привести к значительной коммерческой выгоде.NbInO7 был исследован из-за его потенциального применения в качестве фотокатализатора, демонстрируя значительно более высокий уровень активности, чем хорошо известный диоксид титана. Частичная замена индия на небольшое количество железа также демонстрирует повышение уровня активности.

Свойства и применение пирохлорных материалов широко рассмотрены в этом разделе и демонстрируют картину, где эти соединения не только уже широко используются, но и имеют потенциал для применения во многих других областях. В то же время, затронув основные сферы, где данные материалы могут быть использованы, стоит отметить, что, как практически в любом месте применения твердотельных материалов, пирохлоры также являются потенциальными кандидатами.

оксид металл пирохлор

Вывод

Нужна помощь в написании реферата?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Подробнее

Химия твердого тела является дисциплиной, объектами изучения которой является широкий спектр веществ, такие как кристаллические и аморфные, неорганические и органические вещества. Достижения данной науки находят применение в электронике, синтезе новых материалов и других прикладных сферах. Однако, не обладая собственной методологией, химия твердого тела находится на пересечении множества наук, что вызывает некоторые проблемы при обозначении уникальности исследований. Но в свою очередь, такой нестандартный подход позволяет изучать вещества в широком диапазоне, получая ценные результаты. Пирохлоры, как структурный тип, широко освещены в рамках данной науки, продемонстрировав физико-химические свойства, необходимые в современном мире.

Список литературы

Subramanian M.A., Toby B.H., Ramirez, A. P., Marshall W.J., Sleight A.W., Kwei G.H. Colossal Magnetoresistance Without Mn3+/Mn4+ Double Exchange in the Stoichiometric Pyrochlore Tl2Mn2O7 // Science, 1996, № 273, P. 81.

Yamamura J. I., Yonezawa S., Maraoka Y., Hiroi Z. J. Factors Affecting the Superconducting Transition Temperatures of β-Pyrochlore Oxides AOs2O6 (A=K, Rb and Cs) // Solid State Chem., 2006, № 179, P. 336.

Колпакова Н.Н.,. Синий И.Г., Поломска М., Петрашко А. О природе фазовых переходов в пирониобате кадмия // Физика твердого тела, 1982, T. 24, № 6, С. 1729.

Raju N.P., Dion M., Gingras M.J. P., Mason T.E., Greedan J.E. Transition to long-range magnetic order in the highly frustrated insulating pyrochlore antiferromagnet Gd2Ti2O7 // Rev. B, 1999, V. 59, № 144, P. 89.

Subramanian M.A., Aravamudan G., Rao G.V. Oxide pyrochlores — A review // Progress in Solid State Chemistry, 1983, № 15, P. 55.

Istomin S.Y, Dyachenko O.G., Antipov E.V., Svensson G. Frustrated ferroelectricity in niobate pyrochlores // Mater. Res. Bull., 1997, V. 32, № 421, P. 233-237.

Taguchi Y., Tokura Y. Magnetotransport phenomena in a metallic ferromagnet on the verge of Mott transition:Sm2Mo2O7 // Phys. Rev. B., 1999, V. 60, № 102, P. 80.

Raju N. P., Dion M., Gingras M.J., Mason T.E., Greedan J.E. Transition to long-range magnetic order in the highly frustrated insulating pyrochlore antiferromagnet Gd2Ti2O7 // Phys. Rev. B., 1999, V. 59, № 144, P. 89-95.

Chang L.J., Prager M., Persson J., Walter J., Jansen E., Chen Y. Y., Gardner J. S. Magnetic order in the double pyrochlore Tb2Ru2O7 // J. of Physics-Condensed Matter, 1997, V. 22, № 5, P. 421-430.

Bramwell S.T., Field M.N., Harris M. J., Parkin I.P. Bulk magnetization of the heavy rare earth titanate pyrochlores — a series of model frustrated magnets // J. of Physics-Condensed Matter, 2000, V. 12, № 483, P. 320-329.

Dunsiger S. R., Kiefl R.F., Chow K.H., Gaulin B.D., Gingras M.J.P., Greedan J.E., Keren, A., Kojima K., Luke G.M., MacFarlane W.A., Raju N.P., Sonier J.E., Uemura Y.J., Wu W.D. Low Temperature Spin Dynamics Of Geometrically Frustrated Antiferromagnets Y2Mo2O7 And Y2Mo1.6Ti0.4O7 Studied By Muon Spin Relaxation // Phys. Rev. B., 1996, V. 54, № 9019, P. 35-47.

Troyanchuk I.O., Kasper N.V., Khalyavin D.D., Szymczak H. Phase transitions in La1-xCaxMnO3-x/2 manganites // A. Phys. Status Solidi A-Appl. Res., 1998, V. 167, № 151, P. 123-128.

Zhou H.D., Choi E.S., Souza, J.A., Lu J., Xin, Y., Lumata L.L., Conner B.S., Balicas L., Brooks J.S., Neumeier J.J., Wiebe C.R. Orbital, charge, and spin couplings in Ru25+O9 dimers of Ba3CoRu2O9 // Phys. Rev. B., 2008, V. 77, №21, P. 65-74.

Martinez B., Senis R., Fontcuberta J., Obradors X., Cheikh-Rouhou W., Strobel, P., Bougerol-Chaillout C. Carrier Density Dependence of Magnetoresistance in Tl2Mn2−xRuxO7 Pyrochlores // M. Phys. Rev. Lett., 1999, V. 83, № 33, P.20-22.

Harris M.J., Bramwell S.T., McMorrow D.F., Zeiske T., Godfrey K.W. Geometrical Frustration in the Ferromagnetic Pyrochlore Ho2Ti2O7 // Phys. Rev. Lett., 1997, V. 79, № 25, P. 511-520.