Керамические материалы из нанокристаллического оксида InFeZnO4: оптические и механические свойства и оценка радиационной стойкости
https://doi.org/10.17586/2220-8054-2024-15-5-693-701
Аннотация
Разработан способ низкотемпературного синтеза оксида InFeZnO4 из рентгеноаморфного прекурсора, образующегося в результате термического разложения продуктов дегидратации смеси поливинилового спирта и растворов нитратов железа, индия и цинка. С помощью ТГ/ДСК и РФА показано, что фаза InFeZnO4 образуется в температурном интервале 370–420°C. Методом РФА установлено, что после термической обработки прекурсора при 800°C в течение 4 ч образуется нанокристаллический InFeZnO4 со средним размером частиц (ОКР) ≈ 36 нм. По данным РЭМ, они не имеют четкой огранки и образуют однородную, ячеистую микроструктуру порошка. Отсутствие органических остатков и влаги в нем подтверждено методом ИК-спектроскопии. Из данных СДО найдено, что ширина запрещенной зоны Eg InFeZnO4 для случая непрямых и прямых переходов составляет 1.54 эВ и 2.25 эВ, соответственно. Керамика, изготовленная из нанокристаллического InFeZnO4 методом высокотемпературного спекания, имеет плотность, равную 5160 кг/м3 (≈ 86% от теоретической). Ее микротвердость, измеренная по методу Виккерса, равна 2.12 ГПа. Спрогнозирована радиационная стойкость InFeZnO4. Из результатов прогноза следует, что при воздействии на материал средних и высоких доз ионизирующего излучения наиболее вероятна его частичная аморфизация.
Об авторах
О. Н. КондратьеваРоссия
Кондратьева Ольга Николаевна
М. Н. Смирнова
Россия
Смирнова Мария Николаевна
Г. Е. Никифорова
Россия
Никифорова Галина Евгеньевна
А. Д. Япрынцев
Россия
Япрынцев Алексей Дмитриевич
Д. Ф. Кондаков
Россия
Кондаков Дмитрий Феликсович
Л. Д. Ягудин
Россия
Ягудин Леонид Дмитриевич
Список литературы
1. Kimizuka N., Takayama-Muromachi E., Siratori K. The systems R2O3–M2O3–M′O: R is In, Sc, Y or one of the lanthanides, M is Fe, Ga, or Al, and M′ is one of the divalent cation elements. Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths, 1990, 13, P. 283–384.
2. Grajczyk R., Subramanian M.A. Structure–property relationships of YbFe2O4– and Yb2Fe3O7–type layered oxides: A bird’s eye view. Progress in Solid State Chemistry, 2015, 43(1–2), P. 37–46.
3. Preaud S., Byl C., Brisset F., Berardan D. SPS-assisted synthesis of InGaO ´ 3(ZnO)m ceramics, and influence of m on the band gap and the thermal conductivity. Journal of the American Ceramic Society, 2020, 103(5), P. 3030–3038.
4. Zhang C., Pei Y., Zhao L.-D., Berardan D., Dragoe N., Gong S., Guo H., The phase stability and thermophysical properties of InFeO3(ZnO)m (m = 2, 3, 4, 5). Journal of the European Ceramic Society, 2014, 34(1), P. 63–68.
5. Katayose S., Miyazaki T., Hayashi Y., Takizawa H. Synthesis of natural superlattice structure in the binary ZnO–Fe2O3 system by microwave irradiation, Journal of the Ceramic Society of Japan, 2010, 118(1377), P. 387–389.
6. Kimizuka N., Yamazaki S. Physics and Technology of Crystalline Oxide Semiconductor CAAC–IGZO: Fundamentals (Wiley Series in Display Technology). John Wiley & Sons, Ltd., 2016, 352 p.
7. Costa J.C., Pouryazdan A., Panidi J., Spina F., Anthopoulos T.D., Liedke M.O., Schneider C., Wagner A., Munzenrieder N. Flexible IGZO TFTs ¨ and their suitability for space applications. IEEE Journal of the Electron Devices Society, 2019, 7, P. 1182–1190.
8. InGaZnO (IGZO) System For Gas Detection at Room Temperature. United States Patent US 20220365022 A1. United States Patent and Trademark Office. Vijjapu M.T., 11 p.
9. Kimizuka N., Isobe M., Nakamura M., Mohri T. Syntheses and crystallographic data of the homologous compounds InFeO3(ZnO)m (m = 1, 2, 3, 7, 11, 13, 15, and 19) and Fe2O3(ZnO)m (m = 8 and 9) in the In2O3–ZnFe2O4–ZnO system. Journal of Solid State Chemistry, 1993, 103(2), P. 394–402.
10. Qu W.-W., Zhang X.-X., Yuan B.-F., Zhao L.-D. Homologous layered InFeO3(ZnO)m: new promising abradable seal coating materials. Rare Metals, 2018, 37, P. 79–94.
11. Wu J., Wei X., Padture N.P., Klemens P.G., Gell M., Garcia E., Miranzo P., Osendi M.I. Low-thermal-conductivity rare-earth zirconates for potential thermal-barrier-coating applications. Journal of the American Ceramic Society, 2002, 85(12), P. 3031–3035.
12. Zhao L.-D., Pei Y.-L., Liu Y., Berardan D., Dragoe N. InFeZnO4 as promising thermal barrier coatings. Journal of the American Ceramic Society, 2011, 94(6), P. 16641666.
13. Pan W., Phillpot S.R., Wan C., Chernatynskiy A., Qu Z. Low thermal conductivity oxides. MRS Bulletin, 2012, 37, P. 917–922.
14. Guo H., Zhang C., Pei Y., Guo L., Gong S. Improved thermal barrier properties of InFeZnO4 ceramics by Gd/Yb doping. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 585, P. 404–406.
15. Zhang L., Pei Y., Guo H., Gong S. Thermal transport properties of InFeZnO4–YbFeZnO4 solid solutions. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 623, P. 203–208.
16. Zhao B., Pei Y., Zhang L., Gong S., Zhao L.-D. Thermal and mechanical properties of Yb&Mg co-doped InFeZnO4. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 684, P. 34–39.
17. Zinkle S.J. Hardness and depth-dependent microstructure of ion-irradiated magnesium aluminate spinel. Journal of the American Ceramic Society, 1989, 72(8), P. 1343–1351.
18. Fukushima Y., Yano T., Maruyama T. Swelling, thermal diffusivity and microstructural investigation of neutron irradiated single crystals of nonstoichiometric spinel. Journal of Nuclear Materials, 1990, 175(3), P. 203–208.
19. Kimizuka N., Mohri T., Matsui Y. Homologous Compounds, InFeO3(ZnO)m (m = 1–9). Journal of Solid State Chemistry, 1988, 74(1), P. 98–109.
20. Narendranath S.B., Kumar Yadav A., Bhattacharyya D., Nath Jha S., Nandini Devi R. Photocatalytic H2 evolution from water-methanol system by anisotropic InFeO3(ZnO)m oxides without cocatalyst in visible light. ACS Applied Materials & Interfaces, 2014, 6(15), P. 12321–12327.
21. Smirnova M.N., Kondrat’eva O.N., Nikiforova G.E., Khoroshilov A.V. A new approach to prepare LuFeMgO4. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2023, 68, P. 507–514.
22. Smirnova M.N., Kondrat’eva O.N., Nikiforova G.E., Yapryntsev A.D., Averin A.A., Khoroshilov A.V. Features of synthesis of InGaMgO4 from nitrate-organic precursors and study of its physical properties. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2024, (in press).
23. Larkin P.J. Infrared and Raman Spectroscopy: Principles and Spectral Interpretation. Elsevier, 2011, 230 p.
24. Jain D., Sudarsan V., Patra A.K., Sastry P.U., Tyagi A.K. Effect of local ordering around Th4+ ions in glycine-nitrate precursor gel on the powder characteristic of gel-combusted ThO2. Journal of Nuclear Materials, 2019, 527, P. 151826.
25. Warrier A.V.R., Narayanan P.S. Infrared absorption spectra of single crystals of glycine silver nitrate and monoglycine nitrate. Proceedings of the Indian Academy of Sciences – Section A. 1967, 66, P. 46–54.
26. Khrushchev M.M. Trenie, iznos i mikrotverdost’ materialov: Izbrannye raboty (k 120-letiyu so dnya rozhdeniya). KRASAND, Moskva, 2012, 512 p.
27. Lebedeva S.I. Opredelenie mikrotverdosti mineralov. Izdatel’stvo akademii nauk SSSR, Moskva, 1963, 124 p.
28. Andrade P.H.M., Volkringer C., Loiseau T., Tejeda A., Hureau M., Moissette A. Band gap analysis in MOF materials: Distinguishing direct and indirect transitions using UV–vis spectroscopy. Applied Materials Today. 2024, 37, P. 102094.
29. Meng X., Wang Z., Qiu K., Li Y., Liu J., Wang Z., Liu S., Li X., Yang Z., Li P. Design of a novel near-infrared phosphor by controlling cationic coordination environment. Crystal Growth & Design, 2018, 18(8), P. 4691–4700.
30. Naguib H.M., Kelly R. Criteria for bombardment-induced structural changes in non-metallic solids. Radiation Effects, 1975, 25 (1), P. 1–12.
31. Batsanov S.S. The concept of electronegativity. Conclusions and prospects. Russian Chemical Reviews, 1968, 37(5), P. 332–351.
32. Satalkar M., Kane S.N., Kulriya P.K., Avasthi D.K. Swift heavy ion irradiated spinel ferrite: A cheap radiation resistant material. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2016, 379, P. 235-241.
33. Studer F., Houpert Ch., Groult D., Yun Fan J., Meftah A., Toulemonde M. Spontaneous magnetization induced in the spinel ZnFe2O4 by heavy ion irradiation in the electronic stopping power regime. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 1993, 82(1), P. 91–102. с.
Рецензия
Для цитирования:
Кондратьева О.Н., Смирнова М.Н., Никифорова Г.Е., Япрынцев А.Д., Кондаков Д.Ф., Ягудин Л.Д. Керамические материалы из нанокристаллического оксида InFeZnO4: оптические и механические свойства и оценка радиационной стойкости. Наносистемы: физика, химия, математика. 2024;15(5):693-701. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2024-15-5-693-701
For citation:
Kondrat’eva O.N., Smirnova M.N., Nikiforova G.E., Yapryntsev A.D., Kondakov D.F., Yagudin L.D. Ceramic materials prepared from nanocrystalline InFeZnO4 powder: optical and mechanical properties, and evaluation of radiation tolerance. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2024;15(5):693-701. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2024-15-5-693-701