Фазові рівноваги, кристалічна структура і електричні властивості сполук в системах {La,Ce}-In-{Al,Si,Ge}

Размещено на http://www.allbest.ru/

Львівський національний університет імені Івана Франка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата хімічних наук

02.00.01 - неорганічна хімія

ФАЗОВІ РІВНОВАГИ, КРИСТАЛІЧНА СТРУКТУРА

І ЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ СПОЛУК

В СИСТЕМАХ {La,Ce}-In-{Al,Si,Ge}

НИЧИПОРУК ГАЛИНА ПАВЛІВНА

Львів - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі неорганічної хімії Львівського національного університету імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

кандидат хімічних наук, доцент Заремба Василь Іванович,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

доцент кафедри неорганічної хімії

Офіційні опоненти:

доктор хімічних наук, професор, Поторій Марія Василівна,

Ужгородський національний університет, професор кафедри неорганічної хімії

кандидат хімічних наук, доцент, Федина Михайло Федорович,

Український державний лісотехнічний університет, доцент кафедри хімії

Провідна установа: Донецький національний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра неорганічної хімії

Захист відбудеться „11” лютого 2004 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.051.10 з хімічних наук у Львівському національному університеті імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України за адресою: 79005, м.Львів, вул. Кирила і Мефодія, 6, хімічний факультет, ауд. № 2.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Львівського національного університету імені Івана Франка (79005, м.Львів, вул. Драгоманова, 5).

Автореферат розісланий „29” грудня 2003р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Яремко З.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Отримання нових матеріалів з наперед заданими властивостями залишається актуальним завданням і на даний час. Поряд із зростаючим інтересом до хімії неорганічних та органічних сполук, окреме місце відводиться вивченню металів та їх сполук. Дослідження взаємодії компонентів у системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In сприятиме розширенню інформації про тернарні інтерметаліди Індію, а встановлення структури та властивостей сполук поповнить існуючі бази даних та дозволить прогнозувати утворення нових сполук з певними властивостями.

Додавання РЗМ у різні сплави сприяє підвищенню їх міцності при кімнатній та високих температурах. Лантаноїди та їх сполуки використовують як каталізатори в органічних та неорганічних синтезах, а Лантан та Церій знаходять застосування в електронній техніці як добавки до гетерів та постійних магнітів .

Завдяки доброму поєднанню механічних і технологічних властивостей алюміній та його сплави широко застосовуються у різних галузях промисловості, зокрема в електротехніці, авіації.

Винятково важливе значення мають Силіцій і Германій у радіоелектронній та ядерній техніці. Силіциди f-елементів застосовують в атомній енергетиці в якості поглиначів нейтронів.

Значна частина Індію застосовується у напівпровідниковій електроніці, як легуючої присадки для створення діркової провідності в германієвих кристалах, а також для підвищення міцності алюмінієвих сплавів.

Вивчення взаємодії компонентів у системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In є актуальним, оскільки вони розширять знання про системи даного типу, а результати дослідження фізичних властивостей сполук, що в них утворюються, сприятимуть прогнозуванню їх подальшого використання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана на кафедрі неорганічної хімії Львівського національного університету імені Івана Франка у відповідності з науково-тематичними програмами Міністерства освіти і науки України за науковим напрямком 70 "Наукові основи хімічної технології створення нових неорганічних речовин та матеріалів, комплексної хіміко-технологічної переробки сировини України" по темах: “Синтез нових інтерметалічних сполук, дослідження їх структури і властивостей з метою пошуку нових неорганічних матеріалів”, номер державної реєстрації 0197U018093, „Магнітні та електрокінетичні властивості нових інтерметалічних фаз на основі рідкісноземельних та перехідних елементів”, номер державної реєстрації 0100U001431, та „Вплив заміщень компонентів на будову, термоелектричні та магнітні властивості інтерметалічних сполук”, номер державної реєстрації 0103U001887. Здобувачем виконувались експериментальні роботи, пов'язані із синтезом, побудовою ізотермічних перерізів діаграм стану, дослідженням кристалічних структур нових тернарних сполук та вивченням фізичних властивостей деяких з них.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є дослідження взаємодії компонентів у потрійних системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In, побудова ізотермічних перерізів діаграм стану при 870 К, визначення кристалічних структур та фізичних властивостей тернарних сполук, які в них утворюються. Для цього необхідно було вирішити наступні задачі: провести ґрунтовний аналіз літературних даних, побудувати ізотермічні перерізи діаграм стану систем, встановити кристалічні структури нових сполук, провести поміри фізичних властивостей окремих сполук.

Об'єкт дослідження: взаємодія компонентів у шести потрійних системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In.

Предмет дослідження: фазові рівноваги в системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In при 870 К; кристалічні структури тернарних сполук, ряди ізоструктурних сполук, електричні та магнітні властивості окремих сполук.

Методи дослідження: електродугова плавка та гомогенізуючий відпал для виготовлення зразків; рентгенівський фазовий та мікроструктурний аналізи для встановлення фазових рівноваг у досліджуваних системах; рентгеноструктурний аналіз для дослідження кристалічної структури сполук; локальний рентгеноспектральний аналіз для встановлення якісного і кількісного складу монокристалів; диференційний термічний аналіз для визначення температур плавлення сполук; метод Фарадея та чотиризондовий метод при вивченні фізичних властивостей сполук.

Наукова новизна одержаних результатів. Вперше побудовано ізотермічні перерізи діаграм стану шести систем {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In у повному концентраційному інтервалі та досліджено кристалічні структури 24 сполук, що утворюються у даних та споріднених системах. Визначено області гомогеннності для трьох тернарних сполук. Встановлено, що виявлені сполуки відносяться до чотирьох нових рядів ізоструктурних сполук. Досліджено електричні та магнітні властивості для двох рядів ізоструктурних сполук: R₂Ge₂In і R₃GeIn₄ (R = La, Ce, Pr, Nd).

Практичне значення одержаних результатів. Отримані експериментальні дані про характер взаємодії компонентів у досліджених системах, структури та властивості сполук, що утворюються в цих системах дозволяють встановити певні закономірності взаємодії рідкісноземельних металів (зокрема Лантану та Церію) з p-елементами III та IV груп. Результати можуть використовуватись як довідниковий матеріал, при прогнозуванні діаграм стану та структур нових тернарних сполук РЗМ з Індієм.

Особистий внесок дисертанта. Пошук та аналіз літературних даних, експериментальні роботи з виготовлення та термічної обробки зразків у системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In, синтез та дослідження монокристалів, дослідження мікроструктур та побудова ізотермічних перерізів діаграм стану, встановлення кристалічних структур сполук, обговорення результатів. Частину досліджень кристалічних структур методом порошку проведено разом із ст.н.сп. Давидовим В., а методом монокристалу - з д-ром Стемпень-Дамм Ю., проф. Петрашко А. і доц. Зарембою В. Поміри фізичних властивостей проведено та обговорено спільно з доц. Качоровским Д. і доц. Зарембою В. в Інституті низьких температур та структурних досліджень ПАН (м.Вроцлав). Визначення термператур плавлення сполук проведено разом із ст.н.сп. Парасюком О. на кафедрі неорганічної хімії Волинського державного університету імені Лесі Українки. Розрахунки по визначенню кристалічних структур тернарних сполук проводились із д-ром Стемпень-Дамм Ю. та доц. Галаджуном Я. Отримані результати обговорювались спільно з доц. Зарембою В. та доц. Каличаком Я.

Апробація результатів. Основні результати були представлені на конференціях “Львівські хімічні читання” (м.Львів, 1997, 2003); VII International Conference on Crystal Chemistry of Intermetallic Compounds (Lviv, 1999); XV Українській конференції з неорганічної хімії за міжнародною участю (м.Київ, 2001); звітній науковій конференції Львівського національного університету імені Івана Франка (м.Львів, 2001); школі-семінарі міжнародного центру дифракційних даних (ICDD, Шкло, 2002); VIII International Conference on Crystal Chemistry of Intermetallic Compounds (Lviv, 2002).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 4 статті та 5 тез доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних у роботі літературних джерел і додатків. Дисертація викладена на 152 сторінках (з них 25 додатків), містить 69 таблиць (з них 33 у додатках), 64 рисунки (з них 7 у додатках). Список використаних літературних джерел нараховує 172 назви.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, визначено мету і задачі досліджень, висвітлено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі наведено літературні дані про діаграми стану подвійних систем {La, Ce}-{Al,Si,Ge,In} і {Al,Si,Ge}-In та потрійних систем, спорідених із досліджуваними, а також про кристалічні структури сполук, що в них утворюються. Проаналізовано характер взаємодії компонентів у таких системах та зроблено припущення про взаємодію компонентів у системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In.

У другому розділі описано методику експериментальних досліджень. Для одержання зразків використовували компактні метали наступної чистоти: лантан - 0,999 мас. частки La; церій - 0,998 мас. частки Ce, силіцій - 0,9999 мас. частки Si; германій - 0,9999 мас. частки Ge, алюміній - 0,9999 мас.частки Al; індій - 0,9999 мас. частки In. Поверхня РЗМ механічним способом очищалась від оксидів безпосередньо перед зважуванням. Точність зважування металів - 0,001 г. Зразки для досліджень отримували сплавлянням шихти в електродуговій печі з мідним водоохолоджуваним подом і невитрачувальним вольфрамовим електродом в атмосфері очищеного аргону під тиском 5-6?10⁴ Па. Однорідність сплавів досягалась шляхом гомогенізуючого відпалу в вакуумованих кварцових ампулах у муфельних печах з автоматичним регулюванням температури на протязі 60 діб при температурі 870 К. Сплави загартовувались у холодній воді без попереднього розбивання ампул.

Порошкові рентгенограми для проведення рентгенофазового аналізу отримували методом Дебая-Шеррера (CrK?випромінювання). Для отримання масивів експериментальних відбить hkl при уточненні параметрів елементарних комірок та проведенні структурних розрахунків використовувались порошкові дифрактометри ДРОН 2.0 (FeK_??випромінювання), HZG-4a (CoK_?-, CuK_??випромінювання) та Siemens D5000 (CuK_??випромінювання). Уточнювали координати атомів, коефіцієнти заповнення правильних систем точок, температурні поправки та розраховували теоретичні інтенсивності за допомогою комплексів програм CSD та DBWS-9807 за алгоритмом обрахунку Рітвельда.

Монокристали для досліджень відбирались або з відпалених сплавів, або із зразків, що піддавались спеціальній термічній обробці шляхом нагрівання та повільного охолодження сплавів у печах з контрольованим регулюванням температури. Перший етап дослідження монокристалу проводився методами Лауе та обертання (MoK-, CuK-випромінювання) і Вайсенберга (CuK-випромінювання). Експериментальні масиви інтенсивностей для другого етапу досліджень отримували на автоматичних монокристальних дифрактрометрах КМ-4 і КМ-4 CCD у лабораторії кристалографії Інституту низьких температур та структурних досліджень ПАН (м.Вроцлав, Польща). Контроль складу монокристалів здійснювався методом локального рентгеноспектрального аналізу з використанням аналізатора Philips 515-PV9800 (дослідження проводились в Інституті низьких температур і структурних досліджень ПАН, м.Вроцлав, Польща). Розрахунки кристалічних структур сполук проводились на персональних комп'ютерах типу IBM PC/AT за допомогою програм SHELXL-93, SHELXL-97 та SHELXS-97.

Для визначення кількості фаз використовували мікроструктурний аналіз. Зразки, заплавлені у сплав Вуда, механічно шліфувались та полірувались, а при необхідності ще й травились дистильованою водою або розчинами хлоридної чи етанової кислот. Готові шліфи вивчались візуально за допомогою металмікроскопа “NEOPHOT 30” у відбитому світлі, а найхарактерніші - фотографувались.

Помір магнітних та електричних властивостей сполук проводився в лабораторіях Інституту низьких температур і структурних досліджень ПАН (м.Вроцлав, Польща). Питомий електроопір вимірювали чотиризондовим контактним методом в інтервалі температур 4,2ч300 К. Магнітна сприйнятливість і намагніченість досліджувались з використанням магнетометра фірми Quantum Design MPMS SQUID у температурному інтервалі 1,7ч300 К і магнітному полі до 5,5 Т.

Запис кривих ДТА проводився (Волинський державний університет, м.Луцьк) з використанням Pt/Pt-Rh термопари.

У третьому розділі наведено результати дослідження взаємодії компонентів у потрійних системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In, вивчення кристалічних структур знайдених тернарних індидів у даних та споріднених системах, вимірювання фізичних властивостей окремих сполук.

РЕЗУЛЬТАТИ ЕКСПЕРИМЕНТУ

Система La-Al-In. Дослідження фазових рівноваг у системі La-Al-In при 870 К у повному концентраційному інтервалі проводили на 52 зразках. При температурі дослідження вперше виявлено існування сполуки змінного складу LaAl_1,57-0,85In_0,43-1,15

Система Ce-Al-In. Ізотермічний переріз діаграми стану системи Ce-Al-In при 870 К у повному концентраційному інтервалі побудований в результаті дослідження 41 зразка. Вперше виявлено існування тернарної сполуки змінного складу CeAl_1,09-0,88In_0,91-1,12.

Система La-Si-In. Для вивчення взаємодії компонентів у системі La-Si-In при 870 К у повному концентраційному інтервалі синтезовано 37 зразків. Знайдено існування нової тернарної сполуки La₃SiIn, а у невідпалених сплавах - сполуки складу La₅Si₂In.

Система Ce-Si-In. За даними рентгенофазового дослідження 40 зразків побудований ізотермічний переріз діаграми стану системи Ce-Si-In при 870 К у повному концентраційному інтервалі. Виявлено існування двох нових тернарних сполук: Ce₃SiIn та Ce₂Si₂In.

Система La-Ge-In. Для дослідження взаємодії компонентів у системі La-Ge-In у повному концентраційному інтервалі було виготовлено 46 зразків. В результаті виявлено нову тернарну сполуку La₂Ge₂In і підтверджено існування досліджених раніше сполук La₃GeIn₄, La₃GeIn та La₁₁Ge₄In₆.

Система Ce-Ge-In. Результатом рентгенівського та, частково, мікро-структурного досліджень 78 зразків системи Ce-Ge-In є встановлення фазових рівноваг та побудова ізотермічного перерізу діаграми стану при 870 К у повному концентраційному інтервалі. При температурі дослідження виявлено існування п'яти нових тернарних сполук: Ce₃Ge_1,2-0,8In_3,8-4,2, Ce₃Ge_1,11In_0,89, Ce₁₁Ge₄In₆, Ce₂Ge₂In та ~Ce₃Ge₄In₃.

Кристалічні структури сполук. У досліджених потрійних системах підтверджено існування трьох відомих та виявлено 12 нових тернарних сполук. Для складів R₃SiIn, R₃GeIn, R₂Ge₂In і R₃GeIn₄ отримано ізоструктурні сполуки із R = La, Ce, Pr та Nd, а для сполук складу R(Al,In)₂ - ще і з Sm, Eu та Yb (табл.1). Для 24 нових тернарних індидів визначені кристалічні структури.

Сполука LaAl_1,57-0,85In_0,43-1,15 (метод порошку). СТ AlB₂, СП hP3, ПГ P6/mmm, а=0,46603(3)-0,47787(3) нм, с=0,40113(6)-0,39830(4) нм, параметри атомів: La (1a) 0 0 0, B_екв.=0,0053(1) нм²; M (0,5In + 0,5Al) (2d) 1/3 2/3 1/2, B_екв.= 0,0098(1) нм², R_В=0,110, R_P=0,051, R_WP=0,068 (для складу LaAlIn).

Сполука CeAl_1,09-0,88In_0,91-1,12 (метод порошку). СТ AlB₂, СП hP3, ПГ P6/mmm, а=0,47461(3)-0,47851(4) нм, с=0,38574(3)-0,38526(6) нм, параметри атомів: Ce (1a) 0 0 0, B_екв.=0,0079(1) нм²; M (0,5In + 0,5Al) (2d) 1/3 2/3 1/2, B_екв.= 0,0048(2) нм², R_В=0,088, R_P=0,046, R_WP=0,059 (для складу CeAlIn).

Ізоструктурні сполуки при складі RAlIn знайдено з Pr, Nd, Sm, Eu, Yb.

Сполука La₃SiIn (метод монокристалу). СТ La₃GeIn, СП tI80, ПГ I4/mcm, a=1,2223(2) нм, c=1,5995(3) нм, R1=0,069, wR2=0,261, параметри атомів: La¹ (32m) 0,0661(1) 0,2023(1) 0,1373(1), U_екв=0,00024(1) нм²; La² (8h) 0,1675(3) 0,6675(3) 0, U_екв=0,00029(1) нм²; La³ (8g) 0 1/2 0,1458(5), U_екв=0,00071(2) нм²; Si¹ (8h) 0,6152(3) 0,1152(3) 0, U_екв=0,00019(4) нм²; Si² (4a) 0 0 1/4, U_екв=0,00016(5) нм²; M¹ (0,50(1)In + 0,50(1)Si) (16l) 0,1760(3) 0,6760(3) 0,2031(3), U_екв=0,00007(1) нм²; M² (0,40(1)In + 0,60(1)Si) (4c) 0 0 0, U_екв=0,00005(2) нм². Ізоструктурні сполуки знайдено з Ce, Pr, Nd.

Сполука La₅Si₂In (метод монокристалу). СТ Mo₅B₂Si, СП tI32, ПГ I4/mcm, a=0,8101(1) нм, c=1,4498(3) нм, R1=0,049, wR2=0,133, параметри атомів: La¹ (16l) 0,17024(8) 0,67024(8) 0,14411(6), U_екв=0,00018(4) нм²; La² (4c) 0 0 0, U_екв=0,00039(8) нм²; Si (8h) 0,6157(6) 0,1157(6) 0, U_екв=0,00014(1) нм²; In (4a) 0 0 1/4, U_екв=0,00027(7) нм².

Таблиця 1 - Кристалографічні характеристики тернарних сполук систем {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In та ізоструктурних

^*- сполука не існує при 870 К, ^**- літературні дані

Сполука Ce₃Ge_1,11In_0,89 (метод монокристалу). СТ La₃GeIn, СП tI80, ПГ I4/mcm, a=1,2142(2), c=1,5919(3) нм, R1=0,049, wR2=0,132, параметри атомів Ce¹ (32m) 0,0671(1) 0,2005(1) 0,1364(2), U_екв.= 0,00022(3) нм²; Ce² (8h), 0,1674(2) 0,6674(2) 0, U_екв.=0,00032(7) нм²; Ce³ (8g) 0 1/2 0,1445(2), U_екв.=0,00041(4) нм²; Ge¹ (8h) 0,6199(2) 0,1199(2) 0, U_екв.=0,00030(6) нм²; Ge² (4a) 0 0 1/4, U_екв.=0,00013(10) нм²; In¹ (4c) 0 0 0, U_екв.=0,00047(12) нм²; M (0,62(1)In + 0,38(1)Ge) (16l) 0,1748(1) 0,6748(1) 0,2020(3), U_екв.=0,00023(6) нм². Ізоструктурні сполуки знайдено з Pr та Nd.

Сполука La₂Ge₂In (метод монокристалу). СТ Mo₂FeB₂, СП tP10, ПГ P4/mbm, a=0,7664(2) нм, c=0,4450(1) нм, R1=0,032, wR=0,029, параметри атомів: La (4h) 0,1803(1) 0,6803(1) 1/2, U_екв.=0,00008(1) нм²; Ge (4g) 0,3830(1) 0,8830(1) 0, U_екв.=0,00009(2) нм²; In (2a) 0 0 0, U_екв.=0,00014(2) нм².

Сполука Ce₂Ge₂In (метод монокристалу). СТ Mo₂FeB₂, СП tP10, ПГ P4/mbm, a=0,7576(1) нм, c=0,4407(1) нм, R1=0,035, wR2=0,074, параметри атомів: Ce (4h) 0,1793(1) 0,6793(1) 1/2, U_екв=0,00011(2) нм²; Ge (4g) 0,1188(1) 0,6188(1) 0, U_екв=0,00010 (3) нм²; In (2a) 0 0 0, U_екв=0,00015(3) нм². Ізоструктурні сполуки знайдено з Pr, Nd та при складі Ce₂Si₂In.

Сполука Ce₃Ge_1,2-0,8In_3,8-4,2 (метод порошку). СТ La₃GeIn₄, СП tI32, ПГ I4/mcm, а=0,85133(4)-0,8531(1) нм, с=1,19366(8)-1,2007(2)нм, параметри атомів: Ce¹ (4a) 0 0 1/4, B_екв.=0,0075(1); Ce² (8h) 0,8369(8) 0,3369(8) 0, B_екв.=0,0075(1); Ge (4c) 0 0 0, B_екв.=0,0075(1); In (16l) 0,1437(4) 0,6437(4) 0,1844(5), B_екв.=0,0075(1); R_I=0,12 (для складу Ce₃Ge_0,85In_4,15). Ізоструктурні сполуки знайдено з Pr, Nd при складі R₃GeIn₄.

Температури плавлення сполук Ce₂Si₂In, Ce₂Ge₂In і Ce₁₁Ge₄In₆, визначені методом диференційного термічного аналізу, становлять 1393 К, 1475 К і 1375 К відповідно.

Наведені на рис.2 дисертації залежності ?(Т) показують, що питомий електроопір тернарних індидів зростає при підвищенні температури, і вони є типовими для інтерметалідів (з незначним відхиленням від лінійності для Pr₃GeIn₄ та Nd₃GeIn₄ і дещо більшим - для Ce₂Ge₂In та Ce₃GeIn₄). Залишковий електроопір ?_? (при Т0) для Nd₃GeIn₄ становить ~70 мкОм?см, а для Pr₃GeIn₄ - ~160 мкОм?см (що, можливо, зумовлене пористістю або наявністю дефектів у зразку).

З характеру та значень температурної залежності магнітної сприйнятливості ч(T) сполуки La₂Ge₂In видно, що вона є слабким парамагнетиком у температурному інтервалі вище 50 К. Для сполуки Ce₂Ge₂In залежність ч^-1(Т) є лінійною лише в проміжку 65250 К. При температурі вищій 25 К спостерігається лінійна залежність ч^-1(T) для сполук Pr₂Ge₂In та Nd₂Ge₂In, яка описується законом Кюрі-Вейса. Сталі Вейса становлять ~ -10 K для обох сполук. Ефективні магнітні моменти для них є близькими до відповідних значень іонів Pr³⁺ та Nd³⁺ і дорівнюють 3,54 та 3,60 м_В, відповідно. В інтервалі температур 025 К, ймовірно, існує антиферомагнітне впорядкування в обох сполуках при ~14 та ~3 К, відповідно (на рисунках позначено стрілками). Для сполуки Ce₃GeIn₄ залежність ч^-1(T) є лінійною в межах 50 250 К, стала Вейса становить ~ -35 K, а ефективний магнітний момент атома церію дорівнює 2,62 м_В (ефективний магнітний момент для Ce³⁺ становить 2,54 м_В). Відхилення від лінійності та характер залежностей ч(T) та у(м₀H) при низьких температурах дають підстави стверджувати про можливість антиферомагнітного впорядкування. Лінійна залежність оберненої магнітної сприйнятливості від температури спостерігається для сполуки Pr₃GeIn₄ вище 10 К та вище 15 К - для Nd₃GeIn₄. Сталі Вейса становлять відповідно ~ -2,3 K та ~ -11 K, а ефективні магнітні моменти - 3,55 і 3,63 м_В. При низьких температурах (~2,5 К) для сполуки Pr₃GeIn₄ спостерігається магнітний перехід (можливо антиферомагнітний), а для для Nd₃GeIn₄ - два магнітних переходи: при ~8 К та ~2,4 К (на рисунках позначено стрілками).

У четвертому розділі проведено обговорення результатів експерименту: проаналізовано характер взаємодії компонентів, розглянуто закономірності утворення сполук, здійснено кристалохімічний і порівняльний аналізи.

Фізико-хімічні властивості компонентів, що входять до складу систем {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In, зумовлюють особливості ізотермічних перерізів їх діаграм стану. Значна відмінність у розмірах атомів Al, Si і Ge, з одного боку, та In, з іншого, не сприяє утворенню твердих розчинів на основі бінарних сполук рідкісноземельних металів. Перехід від La до Ce чи від Si до Ge приводить до збільшення кількості сполук у системах {La,Ce}-{Si,Ge}-In, а заміна Si (Ge) на Al впливає як на характер фазових полів, так і на кристалічну структуру тернарних індидів. індій сполука провідник магнетик

Системи R-Al-In (R = La, Ce) при 870 К дуже подібні між собою і відрізняються лише протяжністю областей гомогенності тернарних сполук із структурою типу AlB₂. У системах {La,Ce}-Ge-In утворюється більше тернарних сполук (4 - у системі La-Ge-In, 5 - у системі Ce-Ge-In), ніж у системах {La,Ce}-Si-In (1 і 2 сполуки відповідно). Al, Si та Ge (крім системи Ce-Ge-In) не вступають у рівноваги ні з тернарними, ні з бінарними сполуками: встановлено рівноваги R₃Al₁₁-In, RSi_2-x-In, LaGe_2-x-In. Бінарні сполуки не розчиняють третього компонента (окрім незначної розчинності ~0,02 ат.частки In в LaAl₃). На перетинах RAl₃-RIn₃, R₃Al-R₃In і R₃Ge-R₃In не утворюються тверді розчини заміщення. Слід зауважити, що відповідні бінарні сполуки не є ізоструктурними.

У потрійних системах з Si та Ge утворюються сполуки, які при однакових складах, є ізоструктурними між собою. Сполуки складу R₃SiIn та Ce₂Si₂In мають однакову структуру (стр. типи La₃GeIn і Mo₂FeB₂ відповідно) зі сполуками R₃GeIn та R₂Ge₂In. У системах La-Ge-In та Ce-Ge-In ізоструктурними є всі сполуки з однаковою стехіометрією. Тернарні сполуки R(Al,In)₂ з протяжними областями гомогенності та структурою типу AlB₂ вздовж ізоконцентрати 0,333 ат. частки РЗМ підтверджують відмінності між системами {La,Ce}-{Si,Ge}-In та {La,Ce}-Al-In. Практично усі тернарні індиди утворюють ряди ізоструктурних сполук з La, Ce, Pr та Nd. Причому у ряду La-Nd закономірно змінюються параметри елементарних комірок сполук, що добре узгоджується з розмірами атомів РЗМ.

Аналіз ізотермічних перерізів діаграм стану систем {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In та вже відомих R-{Si,Ge}-In (R = Y, Sm, Gd, Yb, Lu) дозволив виділити певні подібності. У всіх системах з Al та Si утворюється менше тернарних сполук, ніж у системах з Германієм. За винятком систем Ce-Ge-In та Yb-Ge-In, однаковими є області ізотермічних перерізів діаграм стану з високим вмістом X компоненту, де Al (Si,Ge) відсікається рівновагою між бінарною сполукою системи РЗМ-Al (Si,Ge) та Індієм. У системах R-{Si,Ge}-In не утворюються тернарні сполуки із структурою AlB₂, які існують в системах R-Al-In. Сполуки складів R₂Ge₂In і R₁₁Ge₄In₆ утворюються в системах з рідкісноземельними металами як ітрієвої, так і церієвої підгруп, а сполуки із структурами типів La₃GeIn та анти-Cr₅B₃ утворюють лише РЗМ церієвої підгрупи (La-Nd). Більше тернарних сполук утворюється у системах {La,Ce}-{Si,Ge}-In, ніж у системах з РЗМ ітрієвої підгрупи. Практично усі тернарні індиди мають постійний склад (окрім сполуки Ce₃Ge_1,2-0,8In_3,8-4,2).

Системи {La,Ce}-{Si,Ge}-{Al,Ga} характеризуються наявністю сполук (як правило, із структурами типів AlB₂ та ThSi₂) на перетинах RSi(Ge)₂-RAl(Ga)₂, протяжних твердих розчинів на основі бінарних сполук РЗМ та областей гомогенності різної протяжності для багатьох тернарних сполук. Серед систем {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In тільки у системах з Al утворюються сполуки на ізоконцентраті 0,333 ат. частки РЗМ і з структурою типу AlB₂. Утворення фазових рівноваг між Si (Ge) та тернарними сполуками, характерне для систем R-{Si,Ge}-{Al,Ga}, відрізняє ці системи від аналогічних систем з In. Також у системах {La,Ce}-{Si,Ge}-In утворюються сполуки в області з відносно високим вмістом РЗМ, чого не спостерігається у відповідних системах з Al та Ga (окрім фаз R₅(Ga,Ge)₃).

Порівняння досліджених нами систем із відомими системами РЗМ-перехідний метал-Індій вказує на складнішу взаємодію компонентів в останніх, яка проявляється у характері фазових рівноваг, більшій кількості тернарних сполук та типах їх кристалічних структур. Спільним для цих систем є наявність тернарних індидів із структурами типів AlB₂ чи Mo₂FeB₂.

Всі сполуки, що утворюються в системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In, кристалізуються у структурних типах бінарних сполук або у надструктурах до них. Однак, ці структурні типи не характерні для бінарних сполук подвійних систем, що обмежують досліджені нами потрійні. Виняток становить сполука Ce₂Si₂In із структурою типу Mo₂FeB₂, який є впорядкованим варіантом типу U₃Si₂ (в якому кристалізується бінарна сполука Ce₃Si₂).

Сполуки із структурою типу AlB₂ дуже поширеші серед тернарних інтерметалідів і мають, у більшості випадків, змінний склад (область гомогенності). Як правило, такі сполуки мають близькі значення параметрів а і с, тобто співвідношення с/а ~ 1. Малі за розмірами атоми характеризуються координаційним числом 9 та координаційним многогранником у вигляді тригональної призми з трьома додатковими атомами напроти бокових граней. Якщо одним із компонетів тернарної сполуки із структурою такого типу є In, то простежується зменшення параметру с та збільшення параметру а, співвідношення с/а ~ 0,8. Координаційним многогранником менших за розміром атомів залишається тришапкова тригональна призма. Така деформація, однак із співввідношенням с/а ~ 0,6, характерна для структурного типу UHg₂. У цьому випадку координаційне число атомів меншого розміру знижується до 8 і координаційний многогранник має вигляд тригональної призми з додатковими атомами напроти базових граней.

Структури сполук Cr₅B₃, La₅Si₂In (стр. тип Mo₅B₂Si, надструктура до типу Cr₅B₃) і Ce₃GeIn₄ (стр. тип La₃GeIn₄, впорядкований антитип до типу Cr₅B₃) можна розглядати як укладки фрагментів вздовж осі z. Атоми, що займають положення 8h утворюють чотирикутні сітки з ромбів та квадратів, останні з яких центровані атомами у положеннях 4с. Атоми в положеннях 16l утворюють тетрагональні антипризми навколо атомів, що займають положення 4a. Шари антипризм чергуються з плоскими сітками. Незважаючи на відмінні значення висот (h) та основ (s) тетрагональних антипризм у структурах сполук Cr₅B₃ та La₅Si₂In (табл.2), їхнї співвідношення близькі до співвідношення h/s ідеальної антипризми (0,866). У структурі сполуки Ce₃GeIn₄ положення 16l зайняті атомами In. Антипризми, які вони утворюють, стиснені вздовж осей 4 порядку відносно ідеальної на 60,8 %. У даному випадку спостерігається певна взаємодія між плоскими сітками з атомів In (основи тетрагональних антипризм) вздовж напрямку z.

Таблиця 2 - Характеристика тетрагональних антипризм у різних структурах

У ряду сполук La₃SiIn, La₃GeIn і Ce₃Ge_1,11In_0,89, що кристалізуються у структурному типі La₃GeIn (надструктура до типу Gd₃Ga₂), спостерігається зростання параметрів елементарної комірки при заміні Si на Ge у сполуках з La та зменшення - при заміні La на Ce для сполук з Ge. Іншим прикладом надструктури до типу Gd₃Ga₂ є структура сполуки Tb₆Al₃Si. Атоми Алюмінію в структурі Tb₆Al₃Si займають одне з положень 8h, тоді як у випадку сполук La₃SiIn, La₃GeIn і Ce₃Ge_1,11In_0,89 це положення займають атоми найменшого розміру (Si або Ge). Більше того, для сполук з Індієм характерне статистичне розміщення атомів In та Si (Ge) в окремих положеннях. Незважаючи на ці відмінності, значення координат відповідних атомів є близькими і їх координаційні многогранники - аналогічними.

Значення параметрів елементарних комірок для R₂Ge₂In відрізняються від відповідних значень для сполук перехідних металів. Аналіз міжатомних віддалей для тернарних сполук Лантану показує, що параметри елементарних комірок, в основному, визначаються взаємодією La-T (T = Ni, Cu, Pd, Pt, Ge) у межах тригональних призм. На параметр а впливає також взаємодія T-T здвоєних тригональних призм. Ці взаємодії можна виразити відносним скороченням міжатомних віддалей , де д - міжатомна віддаль, r - радіус атома. Якщо значення Д для сполук Нікелю та Купруму дорівнює 6-7% (д більша від суми атомних радіусів), для сполук Паладію і Платини практично дорівнює нулю, то для сполук Германію вона має негативне значення -8,8%. Тобто має місце сильна взаємодія Ge-Ge з можливим утворенням ковалентно зв'язаних пар атомів, що і призводить до зменшення параметру а. В межах тригональної призми віддаль від центрального атома Т до двох атомів Лантану (La_A) менша, ніж до решти чотирьох (La_B), які утворюють спільну грань між здвоєними призмами. Однак, усі вони скорочені відносно суми радіусів r_T+r_La.

ВИСНОВКИ

1. Використовуючи методи рентгенофазового, рентгеноструктурного та, в окремих випадках, мікроструктурного аналізів вперше досліджено взаємодію компонентів у системах {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In та побудовано ізотермічні перерізи їхніх діаграм стану при 870 К у повному концентраційному інтервалі. Ще дев'ять споріднених систем досліджено на предмет існування сполук окремих складів.

2. У досліджених та споріднених системах підтверджено існування трьох відомих сполук і вперше виявлено існування 25 нових тернарних індидів, для 24 з яких визначені кристалічні структури.

3. Виявлені сполуки відносяться до чотирьох рядів ізоструктурних сполук: RAlIn, (стр. тип AlB₂, R = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb), R₃SiIn та R₃GeIn (стр. тип La₃GeIn, R = La, Ce, Pr, Nd), R₂Ge₂In (стр. тип Mo₂FeB₂, R = La, Ce, Pr, Nd), R₃GeIn₄ (стр. тип La₃GeIn₄, R = La, Ce, Pr, Nd).

4. За результатами помірів температурної залежності питомого електроопору встановлено, що сполуки Ce₂Ge₂In, Ce₃GeIn₄, Pr₃GeIn₄, та Nd₃GeIn₄ є провідниками металічного типу в температурному інтервалі 50350 К.

5. Досліджені залежності магнітної сприйнятливості від температури вказують на те, що сполуки La₂Ge₂In та Ce₂Ge₂In є слабкими парамагнетиками Паулі, а сполуки Pr₂Ge₂In, Nd₂Ge₂In, Ce₃GeIn₄, Pr₃GeIn₄ і Nd₃GeIn₄ - парамаг-нетиками Кюрі-Вейсівського типу в межах температур 50250 К.

6. На основі аналізу ізотермічних перерізів діаграм стану досліджених систем, виявлено, що значна відмінність у розмірах атомів Al, Si і Ge, з одного боку, та In, з іншого, не сприяє утворенню твердих розчинів на основі бінарних сполук. Перехід від La до Ce чи від Si до Ge приводить до збільшення кількості тернарних сполук, а заміна Si(Ge) на Al впливає як на характер фазових полів, так і на кристалічну структуру тернарних індидів.

7. Проведено порівняльний аналіз досліджених систем із системами {Y,Sm,Gd,Yb,Lu}-{Si,Ge}-In, спорідненими - з Al,Ga,Sn та системами РЗМ-перехідний метал-Індій. Встановлено збереження загальної тенденції до утворення протяжних твердинх розчинів на основі бінарних сполук та областей гомогенності тернарних сполук у відповідних системах з Al та Ga і їх відсутність у системах з In та Sn, а також спрощення характеру взаємодії компонентів при заміщенні перехідного металу на р-елемент.

8. Виявлено види спорідненості досліджених тернарних індидів із відомими структурними типами AlB₂, U₃Si₂, Gd₃Ga₂, Cr₅B₃, Ho₁₁Ge₁₀ - всі сполуки, знайдені в досліджених та споріднених системах, кристалізуються у структурних типах згаданих вище бінарних сполук або надструктурах до них (Mo₂FeB₂, La₃SiIn, La₃GeIn₄, Mo₅B₂Si, Sm₁₁Ge₄In₆). Для більшісті цих структур характерною є тригонально-призматична координація атомів меншого розміру (Al, Si, Ge) та низькі значення координаційних чисел для атомів In (КЧ=8ч10).

РОБОТИ, ОПУБЛІКОВАНІ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Заремба В.И., Стемпень-Дамм А., Ничипорук Г.П., Тыванчук Ю.Б., Калычак Я.М. Кристаллическая структура соединений R₂Ge₂In, где R=РЗМ // Кристаллография. - 1998. - Т.43, №1. - С.13-16.

2. Nychyporuk G., Zaremba V., Kalychak Ya., Stкpieс-Damm J., Pietraszko A. Crystal structure of Ce₃Ge_1,11In_0,89 and related compounds // J. Alloys Compd. - 2000.- Vol.312. - P.154-157.

3. Ничипорук Г., Заремба В., Каличак Я. Дослідження взаємодії компонентів у потрійних системах La-{Si,Ge}-In // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. хім. - 2002.- №.41. - С.49-54.

4. Ничипорук Г., Заремба В., Каличак Я. Системи Ce-{Si,Ge}-In при 870 К // Вісн. Львів. ун-ту. Сер. хім. - 2003. - №.43. - С.9-14.

5. Ничипорук Г.П., Заремба В.І., Каличак Я.М., Давидов В.М. Кристалічна структура сполуки Ce₃GeIn₄ // Зб. наук. праць. Шоста наук. конф. „Львівські хімічні читання-97” 29-30 травня, Львів. - 1997. - С.25.

6. Zaremba V., Nychyporuk G., Stкpieс -Damm J., Pietraszko A. Crystal structure of the compound Ce₃Ge_1,11In_0,89 // Coll. Abstr. of VII international conference on crystal chemistry of intermetallic compounds (Ukraine, L'viv, September 22-25, 1999). - 1999. - P.B26.

7. Ничипорук Г., Заремба В., Каличак Я. Дослідження потрійних систем La-{Si,Ge}-In // Тези доповідей. XV Українська конференція з неорг. хімії за міжнародною участю (м.Київ, 3-7 вересня, 2001). - 2001. - С.200.

8. Nychyporuk G., Zaremba V., Kalychak Ya., Galadzhun Ya, Davydov V. Phase equilibria and new compounds in the ternary systems {La,Ce}-Al-In at 870 K // Coll. Abstr. of VIII international conference on crystal chemistry of intermetallic compounds (Ukraine, L'viv, September 25-28, 2002). - 2002. - P.160.

9. Ничипорук Г., Заремба В., Каличак Я., Стемпень-Дамм Ю. Синтез і кристалічна структура нових тернарних індидів системи La-Si-In // Зб. наук. праць. Дев'ята наук. конф. „Львівські хімічні читання-2003” 21-23 травня, Львів. - 2003. - С.Н18.

АНОТАЦІЯ

Ничипорук Г.П. Фазові рівноваги, кристалічна структура і електричні властивості сполук в системах {La,Ce}-In-{Al,Si,Ge}. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата хімічних наук за спеціальністю 02.00.01. - неорганічна хімія. - Львівський національний університет імені Івана Франка, Львів, 2003.

На основі рентгенівського фазового, рентгеноструктурного та, в окремих випадках, мікроструктурного аналізів побудовано ізотермічні перерізи діаграм стану систем {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In при 870 К у повному концентраційному інтервалі. У цих та споріднених системах підтверджено існування трьох і вперше виявлено 25 нових тернарних сполук, для 24 з яких встановлені кристалічні структури. Отримані сполуки кристалізуються у шести структурних типах і утворюють чотири ряди ізоструктурних сполук.

Встановлено, що у досліджених системах при переході від Al до Si і до Ge ускладнюється характер взаємодії компонентів. Проведено порівняльний аналіз цих систем із дослідженими раніше системами за участю РЗМ ітрієвої підгрупи, а також із спорідненими за участю Al, Ga та Sn та системами РЗМ-перехідний метал-In. Встановлено види спорідненості нових тернарних індидів із відомими структурними типами.

Досліджені температурні залежності питомого електроопору сполук R₂Ge₂In та R₃GeIn₄ (R = La, Ce, Pr, Nd) вказують на те, що вони є провідниками металічного типу, а результати помірів залежності магнітної сприйнятливості від температури дозволяють класифікувати їх слабкими пармагнетиками Паулі чи магнетиками Кюрі-Вейсівського типу в межах 50250 К.

Ключові слова: Індій, діаграма стану, кристалічна структура, питомий електроопір, магнітна сприйнятливість.

АННОТАЦИЯ

Ничипорук Г.П. Фазовые равновесия, кристаллическая структура и электрические свойства соединений в системах {La,Ce}-In-{Al,Si,Ge}. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук по специальности 02.00.01. - неорганическая химия. - Львовский национальный университет имени Ивана Франко, Львов, 2003.

Диссертация посвящена исследованию взаимодействия In с редкоземельными металлами (La, Ce) и р-элементами (Al,Si, Ge); определению кристаллических структур тройных соединений, исследованию электрических и магнитных свойств для некоторых из них.

На основе данных рентгенофазового, ренгеноструктурного и, в отдельных случаях, микроструктурного анализов построены изотермические сечения диаграмм состояния систем {La,Ce}-{Al,Si,Ge}-In при 870 К в полном концентрационном интервале.

Образцы для исследований получали электродуговой плавкой шихты в атмосфере очищенного аргона с дальнейшим гомогенизационным отжигом при температуре 870 К. Фазовый анализ проводили по порошкограммам, а в отдельных случаях, с использованием микроструктурного анализа. Кристаллические структуры соединений определяли методом порошка (дифрактометры HZG-4a и Siemens D5000) и монокристалла (дифрактометры KM-4 и KM-4 CCD). Методом локального рентгеноспектрального анализа контролировали количественный и качественный состав монокристаллов. Расчеты, связанные с расшифровкой и уточнением кристаллических структур соединений проводились с использованием пакетов программ CSD и DBWS-98907 (метод порошка) и пакета программ под редакцией Дж.Шелдрика (метод монокристалла).

В результате определены и уточнены структуры 24 из найденных 25 тернарных соединений в исследованных и родственных системах (три соединения известны из литературы, структура соединения ~Ce₃Ge₄In₃ неизвестна, а соединение La₅Si₂In не существует при 870 К). Определены границы областей гомогенности трех соединений переменного состава в системах La,Ce-Al-In и Ce-Ge-In.

Полученные соединения кристаллизуются в шести структурных типах и образуют четыре ряда изоструктурных соединений следующих составов: R₃SiIn и R₃GeIn (стр. тип La₃GeIn), R₂Ge₂In (стр. тип Mo₂FeB₂), R₃GeIn₄ (стр. тип La₃GeIn₄), R = La, Ce, Pr, Nd и RAlIn (стр. тип AlB₂), R = La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Yb.

Установлено, что в исследованных системах при переходе от Al к Si и далее к Ge заметно усложняется характер взаимодействия компонентов с образованием большего количества тернарных соединений. Твердые растворы на основе бинарных соединений данных систем не образуются. Для тройных систем R-Al-In характерно образование тройных соединений переменного состава, в то время как в системах R-{Si,Ge}-In тернарные индиды существуют при практически постоянном составе.

Проведен сравнительный анализ изученных систем с исследованными ранее системами R-{Si,Ge}-In (R - металл иттриевой подгруппы РЗМ), родственными - с Al, Ga и Sn, а также системами РЗМ-переходной металл-In. Установлены виды родственности новых тернарных индидов с уже известными структурными типами и проведен анализ координационных характеристик их атомов.

Исследованные температурные зависимости удельного электро-сопротивления соединений Ce₂Ge₂In, Ce₃GeIn₄, Pr₃GeIn₄ и Nd₃GeIn₄ указывают на то, что они являются проводниками металлического типа. Полученные линейные зависимости обратной магнитной восприимчивости от температуры для соединений Ce₃GeIn₄, Pr₃GeIn₄, Nd₃GeIn₄ Pr₂Ge₂In, Nd₂Ge₂In подтверждают, что это магнетики Кюри-Вейсовского типа в области 50250 К, а зависимости магнитной восприимчивости от температуры для соединений La₂Ge₂In и Ce₂Ge₂In указывают, что они слабые парамагнетики Паули в том же интервале температур.

Ключевые слова: Индий, диаграмма состояния, кристаллическая структура, удельное электросопротивление, магнитная восприимчивость.

SUMMARY

Nychyporuk G.P. Phase equilibria, crystal structure and electrical properties of compounds in the {La,Ce}-In-{Al,Si,Ge} systems. - Manusсript.