ШЛЯХИ МІГРАЦІЇ ЙОНІВ В КРИСТАЛАХ ТИПУ ШЕЄЛІТУ

Volodymyr Shevchuk, Ihor Kayun

Анотація


Представлено огляд даних комп'ютерного розрахунку та стерео-атомного аналізу структури кристалів, застосованих до сполук AMO4 (A=Ba, Ca, Cd, Pb, Sr, Zn, or Eu; M=W, or Mo) та твердих розчинів на такій основі. На нано-розмірному рівні розглядаються ймовірні 3D міграційні шляхи та елементарні канали міграції для йонів W або Мо в сполуках AMO4 зі структурою типу шеєліту та вольфраміту. .Для розрахунків шляхів йонної міграції в реальних кристалах використано комплекс програм ТОРОS. Встановлено чотири чинники (структурний, часткове структурне заміщення, температурний та технологічні умови і способи вирощування сполук) як методи зміни можливих шляхів міграції йонів аж до формування неперервних шляхів міграції. Продемонстрована придатність запропонованого підходу до дослідження точкових структурних дефектів.

В роботі показано, що у більшості розглянутих випадків візуалізації шляхи міграції мають розриви, тобто окремі нез’єднані ланки. Проте для деяких ренгеноструктурних даних (зокрема, для кристалів, вирощених як наноструктуровані об’єкти) спостерігаються неперервні 3D-сітки міграції йонів W навіть при кімнатній температурі. При зростанні температури ймовірність йонної міграції збільшується (розриви між елементарними каналами зменшуються, випадок мобільних йонів W/Мо).

Зокрема, формування суцільних каналів та йонна міграція при кімнатній температурі в нелегованих вольфраматах/молібдатах зі структурою вольфраміту навряд чи можливі. Однак у структурі шеєліту такі процеси можуть бути ймовірнісними. Зауважимо, що в останньому випадку відстані O-W та довжини елементарних каналів є співмірні. У випадку можливого суцільного міграційного шляху йонів W (уздовж осі [001]) останній проходить через “проміжні” порожнини, позиції яких близькі до позицій йонів вольфраму. Міграція йонів W вимагає існування вакансій таких йонів (пустот ZAN) та їх міжвузельників.

Катіонні заміщення в сполуках AMO4 зі структурою шеєліту модифікують форму ймовірних міграційних шляхів йонів W або Mo та довжини елементарних каналів для вказаних йонів. При великих йонах (А позиції, Ba2+ або Pb2+) в кристалічних матрицях зі структурою шеєліту для ймовірних мобільних йонів W/Mo у порівнянні з іншими шеєлітами спостерігаємо значні відмінності міграційних шляхів та довжин елементарних каналів з тенденцією формування неперервних шляхів, які можна корегувати частковим заміщенням в А позиціях.

Ключові слова: програма комп’ютерного розрахунку TOPOS, W/Mo-міграція, канал міграції, AMO4 (A=Ba, Ca, Cd, Pb, Sr, Zn, Eu; M=W, Mo), шеєліт, вольфраміт.


Повний текст:

PDF (English)

Посилання


  1. Afif A. Sheelite type Sr1-xBaxWO4 (x = 0.1, 0.2, 0.3) for possible application im solid oxide fuel cell electrolytes / A. Afif, J. Zaini, S. Mohammad, H. Rachman, S. Ericsson, M. Islam, A. KalamAzad // Scientific Reports. – 2019. – 9:9173. – 10 p.
  2. Harris C. Structure, redox and transport of acceptor doped cerium niobates. London, London Imperial Colledge, 2015. – 276 p.
  3. Shevchuk V.N. Electrical charge transfer in complex oxides / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Acta Phys. Polon. A. – 2010. – vol. 117. – No 11. – pp. 150-154.
  4. Shevchuk V.N. Influence of thermal prehistory on the electrical properties of tungstate crystals / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Chem. Met. Alloys. – 2011. – Vol. 4. – No ½. – pp. 72-76.
  5. Shevchuk V.N. Thermal prehistory and electrical properties of tungstate crystals / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Functional Materials. – 2011. – Vol. 18. – No 2. – pp. 165-170.
  6. Shevchuk V.N. Electrotransfer features in complex oxide crystals. Lviv, Ivan Franko National University of Lviv. – 2018. – p. 68. (in Ukrainian).
  7. Groenink J.A. Electrical conductivity and defect chemistry of PbMoO4 and PbWO4 / J.A. Groenink, H. J. Binsma // Sol. State Chem. – 1979. – Vol. 29. – No 2. – pp. 227-236.
  8. Esaka T. Oxide ion conduction in the solid solution based on the scheelite-type oxide PbWO4 / T. Esaka, T. Mina-ai, H. Iwahara // Solid State Ionics. – 1992. – Vol. 52. – No 3-4. – pp. 319-325.
  9. Zhou Y. Charge transport by polyatomic anion diffusion in Sc2(WO4)3 / Y. Zhou, S. Adams, R.P. Rao, D.D. Edwards, A. Neiman, N. Pestereva // Chem. Mater. – 2008. – Vol. 20. – pp. 6335-6345.
  10. Li Y. Ionic conductivity, structure and oxide ion migration pathway in fluorite-based Bi8La10O27 / Y. Li, T.P. Hutchinson, X. Kuang, P.R. Slater, M.R. Johnson, I.R. Evans // Chem. Mater. – 2009. – Vol. 21. – pp. 4661-4668.
  11. Pivak Y.V. Ionic and electronic transport in La2Ti2SiO9–based materials / Y.V. Pivak, V.V. Kharton, E.N. Naumovich, J.R. Frade, F.M.B. Marques // J. Sol. St. Chem. – 2007. – Vol. 180. – pp. 1259-1271.
  12. Rabaa H. Theoretical approach to ionic conductivity in phosphorous oxynitride compounds / H. Rabaa, R. Hoffmann, V.C. Hermandez, J.F. Sauz // J. Solid State Chem. – 2001. – Vol. 161. – No 1. – pp. 73-79.
  13. Payne J.I. The mechanism of oxide ion conductivity in bismuth rhenium oxide Bi28Re2O49 / J.I. Payne, J.D. Farrel, A.M. Linsell, M.R. Johnson, I.R. Evans // Sol. St. Ionics. – 2013. – Vol. 244. – pp. 35-39.
  14. Yashima M. Crystal structure, diffusion path, and oxygen permeability of a Pr2NiO4-based mixed conductor (Pr0.9La0.1)2(Ni0.74Cu0.21Ga0.05)O4+δ / M. Yashima, N. Sirikanda, T. Ishihara // J. Am. Chem. Soc. – 2010. – Vol. 132. – pp. 2385-2392.
  15. Marrocchelli D. Dislocations in SrTO3: easy to reduce but not so fast for oxygen transport / D. Marrocchelli, L. Sun, B. Yildiz // J. Am. Chem. Soc. – 2015. – Vol. 137. – pp. 4735-4748.
  16. Shevchuk V.N. Computer calculation of cation migration channels in scheelite structure / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Chem. Met. Alloys. – 2019. – vol. 12. – pp. 61-70.
  17. Filso M.O. Procrystal analysis as a tool for the visualization of ion migration pathways / M.O. Filso, E. Eikeland, B.B. Iversen // AIP Conf. Proc. – 2016. – 1765.020010-1 – 5. – p. 5.
  18. Filso M.O. Visualizing lithium-ion migration pathways in battery materials / M.O. Filso, M.J. Turner, G.V. Gibbs, S. Adams, M.A. Spackman, B.B. Iversen // Chem. Eur. J. – 2013. – Vol. 19. – pp. 15535-15544.
  19. Shevchuk V.N. Migration ways of ions in CaWO4 and BaWO4 crystals with scheelite-type structure / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Proc. Int. Conf. Oxide Materials for Electronic Engineering – fabrication, properties and applications OMEE-2014, 2014, Lviv, Ukraine, Publ. House of Lviv Politechnic, Lviv. – 2014. – pp. 117-118.
  20. Shevchuk V.N. Analysis of electromigration and structure of AWO4 (A=Ca, Cd, Pb, Zn) crystals using TOPOS program complex / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Chem. Met. Alloys – 2016. – vol. 9. – pp. 128-124,.
  21. Shevchuk V.N. Analysis of cation migration channels in PbWO4 / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Proc. X-th Int. Scint and Pract. Conf. Electronics and Informattion Technologies ELIT-2018, Lviv, Ukraine, Ivan Franko National University of Lviv, Lviv. – 2018. – pp. B82-B84,.
  22. Shevchuk V.N. Computer calculation of cation migration channels in scheelite structure / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Proc. XI-th Int. Scint and Pract. Conf. Electronics and Informattion Technologies ELIT-2019, Lviv, Ukraine, Ivan Franko National University of Lviv, Lviv. – 2019. – pp. 238-241.
  23. Shevchuk V.N. Influence of cation substitution on the ion migration in scheelite-type structure / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Electronics and information technologies. – 2021. – iss. 16. – pp. 94-103.
  24. Blatov V.A. Multipurpose crystallochemical analysis with the program package TOPOS / V.A. Blatov // IUCrCompCommNewsLetter. – 2006. – vol. 7. – pp. 4-38.
  25. Moreau J.M. Structural characterization of PbWO4 and related new phase Pb7W8O(32-x) / J.M. Moreau, Ph. Galez, J. P. Peigneux, M. V. Korzhik, // J. Alloys and Comp. – 1996. – Vol. 238. – pp. 46–48.
  26. Errandonea D. Determination of the high-pressure crystal structure of BaWO4 and PbWO4 / D. Errandonea, J. Pellicer-Porres, F. J. Manjón, A. Segura, Ch. Ferrer-Roca, R. S. Kumar, O. Tschauner, J. López-Solano, P. Rodríguez-Hernández, S. Radescu, A. Mujica, A. Muñoz, G. Aquilanti, Phys. Rev. B. – 2006. – Vol. 73. – pp. 1-224103-15.
  27. Takai Sh. Neutron diffraction and IR spectroscopy on mechanically alloyed La-substituted PbWO4 / Sh. Takai, T. Nakanishi, K. Oikawa, S. Torii, A. Hoshikawa, T. Kamiyama, T. Esaka. // Sol. St. Ionics. – 2004. – Vol. 170. – pp. 297-304.
  28. Takai Sh. Powder neutron diffraction study of Ln-substituted PbWO4 oxide ion conductors / Sh. Takai, Sh. Touda, K. Oikawa, K. Mori, Sh. Torii, T. Kamiyama, T. Esaka // Sol. St. Ionics. – 2002. – Vol. 148. – pp. 123-133.
  29. Chipaux R. Crystal structure of lead tungstate at 1.4 and 300 K / R. Chipaux, G. Andre, and A. Cousson // J. Alloys and Comp. – 2001. – Vol. 325. – pp. 91–94.
  30. Kegin X. Discovery of stolzite in China and refinement of its crystal structure / X. Kegin, X. Jiyue, D. Yang // Acta Geologica Sinica. – 1995. – Vol. 8. – pp. 111-116.
  31. Cavalcante L.S. Synthesis, characterization, structural refinement and optical absorption behavior of PbWO4 powders / L.S. Cavalcante, J.C. Sczancoski, V.C. Albarici, J.M. E. Matos, Varela, E. Longo // Mater. Sci. Eng. – 2008. – Vol. B 150. – pp. 18-25.
  32. Saraf R. Facile synthesis of PbWO4: Applications in photoluminescence and photocatalytic degradation of organic dyes under visible light / R. Saraf, C. Shivakumara, S. Behera, H. Nagabhushana, N. Dhananjaya // Spectrochim. Acta Part A: Molec. Biomolec. Spectrosc. – 2015. – Vol. 136. – pp. 348-355.
  33. Grzechnik A. High-pressure x-ray and neutron powder diffraction study of PbWO4 and BaWO4 scheelites / A. Grzechnik, W. A Crichton, W. G Marshall, K. Friese // J. Phys.: Condens. Matter. – 2006. – Vol. 18. – pp. 3017-3029.
  34. Trots D. M. Low temperature structural variation and heat capacity of stolcite PbWO4 / D. M. Trots, A. Senyshyn, B. C. Shwarz // J. Sol. St. Chem. – 2010. – Vol. 183. – pp. 1245-1251.
  35. Hu W. Cation non-stoichiometry in multi-component oxide nanoparticles by solution chemistry: A case study on CaWO4 for tailored structural properties / W.Hu, W. Tong, L.Li, J.Zheng, G.Li // Phys, Chem. Chem. Phys. – 2011. – Vol, 13. – pp. 11634-11643.
  36. Gonsalves R.F. Rietveld refinement, cluster modelling, growth mechanism and photoluminescence properties of CaWO4:Eu3+ microcrystals / R.F. Gonsalves, L.S. Cavalcante, I.C. Nogueira, E. Longo, M.J. Godinho, J.C. Sczancoski, V.R. Mastelaro, I.M. Pinatti, I.L.V. Rosa, A.P.A. Marques // Cryst. Eng. Comm. – 2015. – Vol. 17. – pp. 1654-1656.
  37. Hazen R.M. High-pressure crystal chemistry of scheelite-type tungstates and molybdates / R.M. Hazen, L.W. Finger, J.W.E. Mariathasan // J. Phys. Chem. Solids. – 1985. – Vol. 46 – pp. 253-263.
  38. Senyshyn A. Thermal structural properties of calcium tungstate / A. Senyshyn, M. Hoelzel, T. Hansen, L. Vasylechko, V. Mikhailik, H. Kraus, H. Ehrenberg, // J. Appl. Crystallogr. – 2011. – Vol. 44. – pp. 319-326.
  39. Taoufyq A. Structural, vibrational and luminescence properties of the (1-x)CaWO4) – xCdWO4 system / A. Taoufyq, F. Guinneton, J-C. Valmalette, M. Arab, A. Benlhachemi, B. Bakiz, S. Villain, A. Lyoussi, G. Nolibe, J-R. Gavarri // J. Sol. State Chem. – 2014. – Vol. 219. – pp. 127-137.
  40. Culver S.P. Low-temperature synthesis of homogeneous solid solutions of scheelite-structured Ca1-xSrxWO4 and Sr1-xBaxWO4 nanocrystals / S.P. Culver, M.J. Greaney, A. Tinoko, R.L. Brutchey // Dalton Transact. – 2015. – Vol. 44. – pp. 15042–15048.
  41. Vilaplana R. Quasi-hydrostatic X-ray powder diffraction study of the low- and high-pressure phases of CaWO4 up to 28 Gpa / R. Vilaplana, R. Lacomba-Perales, O. Gomis, D. Erradonea, Y. Meng // Sol. State Sci. – 2014. – Vol. 36. – pp. 16-23.
  42. Burbank R.D. Absolute integrated intensity measurements: application to CaWO4 and comparison of several refinements / R.D. Burbank // Acta Cryst. – 1965. – Vol. 18. – pp. 88-97.
  43. Cavalcante L.S. Electronic structure, growth mechanism and photoluminescence of CaWO4 crystals / L.S. Cavalcante, V. M. Longo, J.C. Sczancoski, M.A.P. Almeida, A.A. Batista, J.A. Varela, M.O. Orlandi, E. Longo, M. S. Li // Cryst. Eng. Comm. – 2012. – Vol.14. – pp. 853-868.
  44. Bylichkina T.I. Crystal structure of Ba molybdate and Ba tungstate / T.I. Bylichkina, L.I Soleva, E.A. Pobedimskaya, M.A. Porai-Koshits, N.V. Belov // Crystallogr. – 1970. – Vol. 15. – pp. 130-131.
  45. Achary S.N. High temperature crystal chemistry and thermal expansion of synthetic powellite (CaMoO4): a hightemperature X-ray (HT XRD) study / S.N. Achary, S.W. Patwe, M.D. Mathews, A.K. Tyag // J. Phys. Chem Solids. 2006. – Vol. 67. – No 4. – pp. 774-781.
  46. Trots D.M. Crystal structure of ZnWO4 scintillator material in the range of 3-1423 K / D.M. Trots, A. Senyshyn, L. Vasylechko, R. Niewa, T. Vad, V.B. Mikhailik, H. Kraus // J. Phys.: Condens. Matter. – 2009. – Vol. 21. – pp. 325402 (9 pp.).
  47. Bakiz B. Luminescent properties under X-ray excitation of Ba(1-x)PbxWO4 disordered solid solution / B. Bakiz, A. Hallaoui, A. Taoufyq, A. Benlhachemi, F. Guinneton, S. Villain, M. Ezahri, J.-C. Valmalette, M. Arab, J.-R. Gavarri // J. Sol. St. Chem. – 2018. – vol. 258. – pp. 146-155.
  48. Hallaoui A. Influence of chemical substitution on the fotoluminescence of Sr(1-x)PbxWO4 solid solution / A. Hallaoui, A. Taoufyq, M. Arab, B. Bakiz, A. Benlhachemi, L. Bazzi, S. Villain, J.-C. Valmalette, F. Guinneton, J.-R. Gavarri // J. Sol. St. Chem. – 2015. – vol. 227. – pp. 186-195.
  49. Hallaoui A. Structural vibrational and photoluminescence properties of Sr(1-x)PbxMoO4 solid solution synthesized by solid state reaction / A. Hallaoui, A. Taoufyq, M. Arab, B. Bakiz, A. Benlhachemi, L. Bazzi, J.-C. Valmalette, F. S. Villain, Guinneton, J.-R. Gavarri // Mat. Res. Bull. – 2016. – vol. 79. – pp. 121-132.
  50. Shevchuk V.N. Nano- and micro-size V2O5 structures / V.N. Shevchuk, Yu. N. Usatenko, P.Yu. Demchenko, O.T. Antonyak, R.Ya. Serkiz // Chem. Met. Alloys. – 2011. – Vol. 4. – pp. 67-71.
  51. Shevchuk V. Voronoi tessellation and migration way of ins in crystal / V. Shevchuk, I. Kayun // Proc. Fifth Int. Conf. on Analytic Number Theory and Spatial Tessellation, Kyiv, Ukraine, National Pedagogical Dragomanov University, Kyiv. – 2013. – pp. 83-84.
  52. Shevchuk V.N. Calculation of ion transfer in crystals with scheelite structure / V.N. Shevchuk, I.V. Kayun // Electronics and information technologies. – 2013. – iss. 3. – pp. 185-192. (in Ukrainian).
  53. Modern Crystallography. / B. K. Vainshtein, Ed., vol. 2, Moscow, Nauka, 1979. – p. 359.
  54. Blatov V.A. Voronoi-Dirichlet polyhedra in crystal chemistry: theory and applicaions / V.A. Blatov // Crystallogr. Rev. – 2004. – vol. 10. – pp. 249-318.
  55. Rodriguez Hernandez P. Theoretical and experimental study of CaWO4 and SrWO4 under pressure / P. Rodriguez Hernandez, F.J. Manjon, R.S. Kumar, O. Tschauner, G. Aquilanti, J. Lopez Solano, S. Radescu, A. Mujica, A. Munoz, D. Errandonea, J. Pellicer Porres, A. Segura, C. Ferrer Roca // J. Phys. Chem. Solids/ - 2006. – Vol. 67. – pp. 2164-2171.
  56. Plakhov G.F. The crystal structure of PbWO4 / G.F. Plakhov, E.A. Pobedimskaya, M.A. Simonov, N.V. Belov // Kristallogr. – 1970. – Vol. 15. – pp. 1067-1068.
  57. Asberg Dahlborg M.B. Structural Changes in the System Zn1-xCdxWO4 Determined from Single Crystal Data / M.B. Asberg Dahlborg, G. Svensson // Acta Chem. Scand. – 1999. – Vol. 53. – pp. 1103-1109.
  58. Xu K. Q. Discovery of stolzite in China and refinement of its crystal structure K.Q. Xu, J.Y. Xue, Y. Ding, G.L. Lü // Acta Geol. Sinica Engl. Edit. – 1995. – Vol. 8. – pp. 111-116.
  59. Shivakumara C. Scheelite-type MWO4 (M = Ca, Sr, and Ba) nanophosphors: Facile synthesis, structural characterization, photoluminescence, and photocatalytic properties / C. Shivakumara, R. Sarafh, S. Behera, N. Dhananjaya, N. Nagabhushana // Mater. Res. Bull. – 2015. – Vol. 61. – pp. 422-432.
  60. Sadikin Y. Superionic conduction of sodium and lithium in anion-mixed hydroborates Na3BH4B12H12 and (Li0.7Na0.3)3BH4B12H12 / Y. Sadikin, M. Brighi, P. Schouwink, R. Cerny // Adv. Energy Mater. – 2015. – vol. 5. – pp 1501016-1–6.




DOI: http://dx.doi.org/10.30970/eli.19.1

Посилання

  • Поки немає зовнішніх посилань.