Електронна структура нестехіометричних фаз втілення, диселенідів та багатокомпонентних гідридоутворюючих сплавів на основі перехідних металів

ВИСНОВКИ

1. Експериментальним чином вдалось зафіксувати в нестехіометричних по підгратці металу кубічних нітридах танталу утворення на NK-смугах поблизу верхнього краю pd-гібридної зони додаткового піка, поява котрого обумовлена формуванням групи незв'язуючих N2p-орбіталей в TaN_x>1. Вказана підсмуга, що формується за рахунок незв'язуючих N2p-станів, розташована в енергетичному інтервалі між pd-гібридною зоною та зоною d-типу і інтенсивність її зростає із збільшенням числа вакансій в TaN_x>1. Встановлено, що підсмугу незв'язуючих О2p-станів не можна зафіксувати в нестехіометричних по підгратці металу кубічних оксидах титану, оскільки: а) в ТіО_x>1 вона розташована значно ближче до верхнього краю pd-гібридної зони в порівнянні з TaN_x>1; б) кубічний монооксид титану навіть стехіометричного складу містить велику кількість (15 %) вакансій по обох підгратках (металоїдній та металу).

2. Для досліджуваних карбідів, нітридів та нижчих оксидів ПМ характерна сильна гібридиза-ція валентних d-станів металу та 2р-станів неметалу, а перенесення заряду здійснюється в напрямку метал неметал. Формування вакансій в металоїдній підгратці призводить до зменшення ефективних позитивних зарядів на атомах металу, в той час як ефективний негативний заряд на атомах неметалу при цьому залишається практично незмінним. Утворення вакансій в підгратці металу призводить до незначного зростання ефективних зарядів - позитивого на атомах металу та негативого на атомах неметалу. Формування металоїдних вакансій в досліджуваних карбідах, нітридах та нижчих оксидах ПМ супроводжується зростанням ширини рентгенівської смуги емісії металу на половині її висоти, в той час як аналогічне уширення смуги, що відображає енергетичний розподіл 2р-станів неметалу, спостерігається при зростанні концентрації вакансій в підгратці металу.

3. При переході від кубічного монокарбіду ТаС_0,98 до гексагональних півкарбідів танталу Та₂С_у спостерігається зсув (0,70,9 еВ) максимумів РФ-спектру валентних електронів та рентгенівських емісійних смуг, що відображають енергетичний розподіл електронних Та5d- і С2р-станів, у напрямку рівня Фермі. Оскільки при цьому положення центру ваги рентгенівської емісійної смуги, що відображає енергетичний розподіл С2р-станів (СК-смуга), залишається практично незмінним, то це супроводжується суттєвим зростанням індексу асиметрії СК-смуги в послідовності ТаС_0,98 Та₂С_у. У вказаній вище послідовності сполук ширина СК-смуги на половині її висоти практично монотонно зменшується на величину 0,3 еВ.

4. При заміщенні атомів вуглецю атомами азоту в кубічній TaC_xN_0,8-х та ромбоедричній -Та₄С₃--TaC_0,59N_0,15 системах:

а) збільшується щільність електронних Та5d-станів у прифермієвській області внаслідок заповнення додатковими валентними електронами, що привносяться атомами азоту, високоенергетичних t_2g-орбіталей атомів танталу; це призводить до зростання півширини смуги емісії, що відображає енергетичний розподіл переважно Та5d-станів;

б) зростає вклад в хімічний зв'язок іонної та металевої складових хімічного зв'язку, а ковалентної, навпаки, зменшується.

5. У кубічних NbC_xN_1-х і TaC_xN_0,8-х карбонітридах заміщення атомів вуглецю азотом не призводить до зміни форми та півширини спектрів емісії, що відображають енергетичний розподіл С(N)2р-станів. Для нестехіометричних кубічних сполук TaC_xN_0,8-х характерна сильна гібридизація Ta5d- і C(N)2p-станів. Іонна компонента хімічного зв'язку в досліджуваній ромбоедричній системі -Та₄С₃--TaC_0,59N_0,15 дещо менша в порівнянні з такою кубічних карбонітридів ТаС_хN_0,8x, що пояснюється наявністю у ромбоедричних сполуках вкорочених ТаТа-зв'язків між атомами металу тих {111}-площин, які є суміжними з аналогічною площиною, в котрій концентруються С-вакансії.

6. Заміщення атомів титану атомами молібдену в кубічних (структура типу NaCl) потрійних карбідах Ti_xMo_1-xC_y та атомів гафнію атомами танталу в ізоструктурних карбідах Hf_xTa_1-xC_y призводить до зменшення негативного ефективного заряду на атомах вуглецю. Дослідження CK-смуг кубічних карбідів Hf_xТа_1-хC_y свідчить про суттєве зменшення її півширини в послідовності TaC_0,98 HfC_0,95. У вказаній послідовності сполук спостерігається значне зростання індексу асиметрії CK-смуги, а положення її максимуму в досліджуваних карбідах співпадає в єдиній енергетичній шкалі з положенням максимуму РФ-спектру валентних електронів відповідної сполуки.

7. Електронна структура вищих оксидів молібдену і вольфраму, а також нестехіометричних оксидів, близьких за складом до МоО₃ і WO₃, визначається, головним чином, вкладами електрон-них О2р-станів. Відхилення від стехіометрії у МоО₃ та WO₃ призводить до появи на РФ-спектрах нестехіометричних оксидів молібдену і вольфраму додаткової прифермієвської підсмуги, що формується вкладами валентних d-станів металу. Аналогічна прифермієвська підсмуга спостерігається і на РФ-спектрах валентних електронів водневих бронз H_xMo(W)O₃, що пояснює появу їх електропровідності. Правда, у випадку водневих бронз прифермієвська підсмуга на РФ-спектрах формується за рахунок тих додаткових електронів, що привносяться атомами водню у кристалічну гратку оксиду вольфраму або молібдену.

8. На прикладі оксидів вольфраму встановлено, що відносна інтенсивність прифермієвської підсмуги на РФ-спектрах валентних електронів зростає із збільшенням співвідношення W:О, але не залежить від типу симетрії кристалічної гратки оксиду WO_x (моноклинна, гексагональна). РФ-спектри валентних електронів та ОК-смуги уширюються при переході від моноклинних до гексагональних WO_x, що можна пояснити наявністю в гексагональних оксидах вольфраму двох сортів атомів кисню: атомів, що належать гексагональним площинам, та атомів, котрі розташовані між вказаними площинами. Вимірювання енергій зв'язку внутрішніх О1s-електронів та енергетичного положення точок перегину NEXAFS O1s-спектрів свідчать про те, що в оксидах вольфраму, ренію та молібдену зарядовий стан атомів кисню не змінюється зі зміною співвідношення атомів металу та кисню у зразку - у всіх досліджуваних оксидах він близький до такого у відповідному вищому оксиді.

9. РФС-дослідження із застосуванням синхротронного випромінювання свідчать, що середній ступінь відновлення пентоксиду диванадію в досліджуваному інтервалі вільного пробігу елек-тронів (=0,62-1,12 нм) практично не змінюється зі збільшенням відстані від поверхні зразка V₂O₅. Для всіх аналізованих значень оксиду V₂O₅ зростає до значень температури відпалу 673-773 К, де вплив дифузії атомів на значення середнього ступеню відновлення стає порівняним з ефектом видалення атомів кисню зі зразка. При вищих температурах відпалу вплив на значення дифузії атомів кисню з об'єму зразка до його поверхні переважає вплив на вказану величину ефекту видалення атомів кисню з приповерхневих шарів зразка.

10. Дослідження гідридів металів IVa-групи вказують на зростання відносної інтенсивності “гідридної” підсмуги на спектрах емісії металу при збільшенні концентрації водню у гідриді. Правда, як свідчать дослідження смуги емісії, що відображає енергетичний розподіл переважно 3d-станів титану, при заповненні в гідриді пустот іншого типу (октаедричних у випадку гідридів титану складу ТіН_х>2) спостерігається не зростання відносної інтенсивності “гідридної” підсмуги, а її уширення за рахунок того, що розподіл по енергії Ті3d-станів, котрі беруть участь у формуванні зв'язків з 1s-електронами атомів водню, які знаходяться в тетраедричних порах, відрізняється від такого тих Ті3d-станів, котрі беруть участь у формуванні зв'язків з 1s-електронами атомів водню, що знаходяться в октаедричних порах. Результати досліджень багатокомпонентних Nі-вміщуючих сполук (CeNiSnD та LaNi_4,7Sn_0,3H_5,5) вказують на те, що в забезпеченні хімічного зв'язку між атомами нікелю та водню Ni3d-стани участі не приймають.

11. Методом РФС встановлено кореляцію між температурою активації та відносною інтенсивністю сигналу від кисень- та вуглець-вміщуючих структур, адсорбованих на поверхні кисень-стабілізованих гідридоутворюючих сплавів на основі титану. Результати РФС-досліджень та дані трансмісійної електронної мікроскопії багатокомпонентних сплавів на основі лантану і цирконію свідчать, що легкість активації сплавів АВ₅ у порівнянні зі сплавами АВ₂ пояснюється суттєвою відмінністю тих оксидних шарів, котрі формуються у вказаних сплавах на повітрі: оксидний шар La₂О₃, котрий формується на поверхні сплавів типу АВ₅, не є неперервним, а має острівкову структуру. Таким чином, він є проникним для молекулярного водню. Форма РФ-спектрів внутрішніх Ni2р-електронів вказує на те, що переважна кількість атомів нікелю на поверхні вихідного сплаву типу АВ₅ знаходиться в зарядовому стані Ni⁰. Оскільки атоми нікелю в зарядовому стані Ni⁰ є найбільш активними центрами, на котрих реалізується дисоціативна хемосорбція водню, то такі центри слабо блокуються вуглець- і кисень-вміщуючими структурами, які адсорбовані на поверхні сплаву. В сплавах на основі цирконію поверхневий шар оксиду цирконію є неперервним. Тому для виникнення процесу наводнення сплаву типу АВ₂ такий оксидний шар потрібно спочатку активувати. Цим і пояснюється той факт, що сплави типу АВ₂ важче наводнити, ніж сплави типу АВ₅.

12. РФС-дослідження свідчать, що перехід із звичайної поліморфної форми диселеніду ніобію 2Н-NbSe₂ та молібдену 2Н-МоSe₂ в інший політип (відповідно у 4Н(b)-NbSe₂ та 3R-МоSe₂) не призводить до помітних змін зарядового стану атомів або енергетичного розподілу електронів у ва-лентній смузі. При вказаних поліморфних переходах практично незмінними залишаються і форми рентгенівських SeK₂-смуг емісії. Вищевказані особливості, напевно, пояснюються тим фактом, що при поліморфних переходах 2Н-NbSe₂ 4Н(b)-NbSe₂ та 2Н-МоSe₂ 3R-МоSe₂ довжини найближчих зв'язків М-Se (M = Nb, Mo) залишаються незмінними. Не відбувається також суттєвих змін форми РФ-спектру валентних електронів та SeK₂-смуги при необоротному поліморфному переході диселеніду паладію з ромбічною структурою типу PdS₂ у ромбічну структуру типу FeS₂ (тип марказиту). Автоінтеркалювання атомами ніобію 2Н-політипу NbSe₂ призводить до суттєвого зростання відносної інтенсивності прифермієвської підсмуги d-типу РФ-спектру валентних елек-тронів і супроводжується зменшенням ефективного позитивного заряду на атомах ніобію. При цьому величина негативного ефективного заряду на атоммах селену суттєво не змінюється.

13. При формуванні вакансій у підгратці металу диселеніду паладію зі структурою марказиту спостерігається зменшення відносної інтенсивності прифермієвської підсмуги d-типу на РФ-спектрі валентних електронів. При цьому відносна інтенсивність центральної підсмуги РФ-спектру валентних електронів, котра формується переважно за рахунок валентних станів селену р-симетрії, що беруть участь у формуванні зв'язків Se-Se, зростає. Таким чином, при зростанні кількості вакансій в металічній підгратці диселеніду паладію зі структурою типу марказиту валентні р-стани селену, що вивільняються зі зв'язків Pd-Se при розриві останніх, будуть приймати участь у формуванні зв'язків Se-Se. Це знаходить своє відображення у зростаннів пікової інтенсивності SeK₂-смуги в послідовності PdSe_2,0 II PdSe_2,4 II. У вищевказаній послідовності сполук, як свідчать результати вимірювань енергій зв'язку внутрішніх електронів, спостерігається деяке збільшення ефективного позитивного заряду на атомах паладію, в той час як ефективний негативний заряд на атомах селену при цьому залишається сталим.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В РОБОТАХ

Хижун О.Ю., Жураковский Е.А., Синельниченко А.К., Колягин В.А., Чужко Р.К. Электронная структура субкарбидов тантала // Металлофизика. - 1993. - Т.15, № 3. - С. 19-38.

Хижун О.Ю., Зауличный Я.В., Жураковский Е.А., Шипило В.Б. Особенности электронной структуры кубических карбонитридов тантала // Металлофизика и новейшие технологии. - 1996. - Т.18, № 4. - С. 68-80.

Khyzhun O.Yu., Zhurakovsky E.A., Sinelnichenko A.K., Kolyagin V.A. Electronic structure of rhombohedral carbides -Ta₄C₃ and -Ta₃C₂ // Доп. НАН України. - 1996. - № 5. - С. 69-76.

Dobrovolsky V.D., Yendrzheevskaya S.N., Sinelnichenko A.K., Skorokhod V.V., Khyzhun O.Yu. Analysis of the surface condition of Ti₄Fe₂O_x // Int. J. Hydrogen Energy. - 1996. - Vol.21, No. 11/12. - P. 1061-1064.

Khyzhun O.Yu., Zhurakovsky E.A., Sinelnichenko A.K., Kolyagin V.A. Electronic structure of tantalum subcarbides studied by XPS, XES, and XAS methods // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. - 1996. - Vol.82. - P. 179-192.

Хижун О.Ю., Синельниченко А.К., Зауличный Я.В., Жураковский Е.А., Шипило В.Б. Рентгеноспектральное исследование электронной структуры кубических карбонитридов TaC_xN_1-x // Доп. НАН України. - 1996. - № 8. - С. 86-93.

Khyzhun O.Yu. XPS and XES studies of creation of vacancy states in substoichiometric cubic tantalum monocarbides // Укр. фіз. журн. - 1997. - Т.42, № 2. - С. 173-181.

Хижун О.Ю., Зауличный Я.В., Дюжева Т.И., Жураковский Е.А. Особенности электронной структуры кубической и гексагональной модификаций триоксида рения // Доп. НАН України. - 1997. - № 2. - С. 99-107.

Хижун О.Ю. Электронное строение нестехиометрических мононитридов тантала со структурами типа WC и NaCl // Металлофизика и новейшие технологии. - 1997. - Т.19, № 6. - С. 3-17.

Dobrovolsky V.D., Solonin Yu.M., Skorokhod V.V., Khizhun O.Yu. XPS and transmission electron microscopy of the multicomponent hydride-forming alloys for electrochemical applications // J. Alloys Compd. - 1997. - Vol.253-254. - P. 488-491.

Khyzhun O.Yu. XPS, XES, and XAS studies of the electronic structure of substoichiometric cubic TaC_x and hexagonal Ta₂C_y carbides // J. Alloys Compd. - 1997. - Vol.259. - P. 47-58.

Khyzhun O.Yu., Zaulychny Ya.V. Electronic Structure of Substoichiometric Tantalum Nitrides Studied by the XES Method // Phys. Stat. Sol. (b). - 1998. - Vol.207. - P. 191-197.

Хижун О.Ю., Зауличный Я.В., Жураковский Е.А. Особенности электронной структуры мононитридов тантала различных модификаций // Порошковая металлургия. - 1998. - № 7/8. - С. 93-101.

Хижун О.Ю. Электронная структура и зарядовое состояние атомов кубических и гексагональных карбидов тантала // Порошковая металлургия. - 1999. - № 5/6. - С. 82-91.

Trefilov V.I., Morozov I.A., Morozova R.A., Dobrovolsky V.D., Zaulichny Ya.A., Kopylova E.I., Khyzhun O.Yu. Peculiarities of interatomic interaction in titanium hydrides with different content of hydrogen // Int. J. Hydrogen Energy. - 1999. - Vol.24. - P. 157-161.

Хижун О.Ю. Рентгеновские эмиссионные и фотоэлектронные спектры оксидов вольфрама // Металлофизика и новейшие технологии. - 2000. - Т.22, № 3. - С. 55-63.

Хижун О.Ю., Солонин Ю.М. Электронная структура моноклинного и гексагонального триоксидов вольфрама и гексагональной водородной вольфрамовой бронзы H_0,24WO₃ // Порошковая металлургия. - 2000. - № 5/6. - С. 82-91.

Khyzhun O.Yu. XPS study of the electronic structure of NbSe₂ synthesized at high pressure // Физика и техника высоких давлений. - 2000. - Т.10, № 3. - С. 95-101.

Khyzhun O.Yu. XPS, XES and XAS studies of the electronic structure of tungsten oxides // J. Alloys Compd. - 2000. - Vol.305. - P. 1-6.

Khyzhun O.Yu., Solonin Yu.M., Dobrovolsky V.D. Electronic structure of hexagonal tungsten trioxide: XPS, XES, and XAS studies // J. Alloys Compd. - 2001. - Vol.320. - P. 1-6.

Khyzhun O.Yu. Electronic structure of niobium diselenides // Доп. НАН України. - 2001. - № 8. - С. 86-91.

Solonin Yu.M., Khyzhun O.Yu., Graivoronskaya E.A. Nonstoichiometric Tungsten Oxide Based on Hexagonal WO₃ // Crystal Growth & Design. - 2001. - Vol.1, No. 6. - P. 473-477.

Khyzhun O.Yu. Electronic structure of substoichiometric cubic tantalum carbonitrides synthesized at high pressure // Физика и техника высоких давлений. - 2001. - Т.11, № 4. - С. 48-60.

Khyzhun O.Yu. XPS Study of the Electronic Structure of Nb_1.27Se₂ // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002. - Т.24, № 2. - С. 141-149.

Гармаш А.Ю., Хижун О.Ю. Исследование зарядового состояния атомов тройных кубических карбидов Ti_xMo_1-xC_y методом РФС // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002. - Т.24, № 3. - С. 321-330.

Khyzhun O.Yu., Solonin Yu.M. Electronic structure of hexagonal hydrogen tungsten bronze H_xWO₃ nanoparticles, a prospective sensor material // Int. Sci. J. Alternat. Energy Ecol. - 2002. - No. 4. - P. 52-55.

Solonin Yu.M., Khyzhun O.Yu. Electronic structure of hexagonal WO_2.8 nanoparticles, a prospective sensor material // Int. Sci. J. Alternat. Energy Ecol. - 2002. - No. 6. - P. 63-67.

Khyzhun O.Yu. XPS and XES Spectra of the 2H Diselenides NbSe₂ and Nb_1.27Se₂ // Металлофизика и новейшие технологии. - 2002. - Т.24, № 11. - С. 1467-1476.

Khyzhun O.Yu., Lototsky M.V., Riabov A.B., Rosenkilde C., Yartys V.A., Jшrgensen S., Denys R.V. Sn-containing (La,Mm)Ni_5-xSn_xH₅₆ intermetallic hydrides: thermodynamic, structural and kinetic properties // J. Alloys Compd. - 2003. - Vol.356-357. - P. 773-778.

Yartys V.A., Ouladdiaf B., Isnard O., Khyzhun O.Yu., Buschow K.H.J. Hydrogen induced antiferromagnetism in the Kondo semimetal CeNiSn // J. Alloys Compd. - 2003. - Vol.359. - P. 62-65.

Khyzhun O.Yu., Kolyagin V.A. X-Ray photoelectron and emission spectra of cubic and rhombohedral tantalum carbonitrides // J. Alloys Compd. - 2004. - Vol.363. - P. 32-39.

Khyzhun O.Yu., Strunskus T., Solonin Yu.M. XES, XPS and NEXAFS studies of the electronic structure of cubic MoO_1.9 and H_1.63MoO₃ thick films // J. Alloys Compd. - 2004. - Vol.366. - P. 54-60.

Khyzhun O.Yu., Kolyagin V.A. Electronic structure of cubic and rhombohedral tantalum carbonitrides studied by XPS, XES, and XAS methods // J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. - 2004. - Vol.137-140. - P. 463-467.

Khyzhun O.Yu., Strunskus T., Cramm S., Solonin Yu.M. Electronic structure of CuWO₄: XPS, XES and NEXAFS studies // J. Alloys Compd. - 2005. - Vol.389. -P. 14-20.

Khyzhun O.Yu., Artyukh L.V., Kolyagin V.A. Electronic Structure and Charge States of Atoms of Cubic Hf_xTa_1-xC_y Carbides Studied by XPS and XES Methods // Металлофизика и новейшие технологии. - 2005. - Т.27, № 5. - С. 675-686.

Khyzhun O.Yu. Electronic Structure of ReO₃ and Re₂O₇ as Studied by X-ray Emission, Absorption and Photoelectron Spectroscopy Methods // Металлофизика и новейшие технологии. - 2005. - Т.27, № 6. - С. 805-816.

Khyzhun O.Yu. Electronic structure of tantalum carbides and nitrides studied by XPS, XES, and XAS methods // Proc. 1st International Autumn School-Conf. “Solid State Physics: Fundamentals & Applications (SSPFA'94). - Uzhgorod (Ukraine), 1994. - P. R24-R25.

Khyzhun O.Yu., Zhurakovsky E.A., Sinelnichenko A.K., Kolyagin V.A. Peculiarities of the electronic structure of rhombohedral -Ta₄C₃ and -Ta₃C₂ subcarbides // Proc. International School-Conf. for Young Scientists “Solid State Physics: Fundamentals & Applications (SSPFA'97). - Katsyveli (Crimea, Ukraine), 1997. - P. R19-R20.

Solonin Yu.M., Dobrovolsky V.D., Khyzhun O.Yu., Skorokhod V.V., Galiy O.Z. XPS and electrochemical investigation of some polycomponent Zr-based alloys // Proc. Journes d'Automne 1998: Sociйtй Franзaise de Mйtallurgie et de Matйriaux. - Paris (France), 1998. - P. 3.25.

Solonin Yu.M., Dobrovolsky V.D., Skorokhod V.V., Galiy O.Z., Khyzhun O.Yu. XPS, TEM and polaryzation studies of some polycomponent hydride-forming Zr-based alloys // Proc. Summer School on Advanced Materials for Industrial Applications.- Kavala (Greece), 1999. - P. 331-334.

Dobrovolsky V.D., Khyzhun O.Yu., Solonin Yu.M. Surface X-ray photoelectron spectroscopy and reaction ability of alloys based on rare-earth metals and zirconium // Proc. Second International Conf. “Materials and Coatings for Extreme Performances: Investigations, Applications, Ecologically Safe Technologies for Their Production and Utilization” (MEE'2002). - Katsiveli-town (Crimea, Ukraine), 2002. - P. 409-410.

Khyzhun O.Yu., Solonin Yu.M., Graivoronskaya E.A. Electronic structure of metastable and nonstoichiometric phases based on tungsten and molybdenum trioxides // Proc. International Conf. “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”. - Kyiv (Ukraine), 2002. -Vol.II. - P. 668-669.

Solonin Yu.M., Dobrovolsky V.D., Khyzhun O.Yu., Skorokhod V.V., Galiy O.Z. Correlation between surface chemical states and electrochemical activities of alloys AB₅ and AB₂ // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Metal Hydrides (Eds. by M.D. Hampton et al.). - Amsterdam: Kluwer Academic Publishers, 2002. - P. 415-422.

Хижун О.Ю., Колягин В.А. Электронная структура ромбоэдрических фаз -Ta₄C_3-xN_x // Труды Третьей Международной Конф. “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий”. - Кацивели-Понизовка (Автономная республика Крым, Украина), 2004. - С. 262А-262Б.

Хижун О.Ю., Солонин Ю.М. Электронное строение наноструктурных оксидных фаз на основе W и Мо // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології. - 2004. - Т.2, № 4. - С. 1177-1184.

АНОТАЦІЯ

Хижун О.Ю. Електронна структура нестехіометричних фаз втілення, диселенідів та багатокомпонентних гідридоутворюючих сплавів на основі перехідних металів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України, Київ, 2005.

За допомогою методів рентгенівської фотоелектронної, емісійної та абсорбційної спектроскопії досліджено електронну структуру та характер хімічного зв'язку нестехіометричних сполук на основі перехідних металів: 1) звичайних фаз втілення, котрі містили вакансії в металоїдній підгратці, або в підгратці металу; 2) твердих розчинів, в котрих відбувається заміщення атомів одного сорту атомами іншого сорту; 3) гідридів та водневих бронз, котрі теж є фазами втілення, але через специфічність їх основного компонента - атома водню - такі сполуки часто вирізняють у окремий клас; 4) координаційних сполук (фаз Магнелі, що містять площини кристалографічного зсуву); такі сполуки хоча і є нестехіометричними, але вони не містять вакансій, бо останні сконцентровані по певних кристалографічних площинах; 5) диселенідів, в котрих нестехіометрія може досягатися або за допомогою втілення атомів металу (молекул, або комплексів атомів) між сандвічами (Se-М-Se), або за рахунок відсутності певного числа атомів металу у вказаних сандвічах. Встановлено, що формування металоїдних вакансій в фазах втілення на основі перехідних металів призводить до зростання ширини смуги емісії металу на половині її висоти та до зменшення позитивного ефективного заряду на атомах металу, в той час як утворення вакансій в підгратці металу призводить до незначного зростання ефективних зарядів - позитивного на атомах металу та негативного на атомах неметалу - та до уширення рентгенівської емісійної смуги, що відображає енергетичний розподіл 2р-станів неметалу. Вивчено вплив стану поверхні на водень-сорбційні властивості сплавів типу АВ₂ і АВ₅. Розглянуто вплив на електронну структуру кристалу перехід його в інший політип або зміну симетрії кристалічної гратки.

Ключові слова: електронна структура, нестехіометрія, фаза втілення, гідрид, диселенід, рентгенівська фотоелектронна спектроскопія, рентгенівська емісійна спектроскопія, рентге-нівська абсорбційна спектроскопія, хімічний зв'язок.

АННОТАЦИЯ

Хижун О.Ю. Электронная структура нестехиометрических фаз внедрения, диселенидов и многокомпонентных гидридообразующих сплавов на основе переходных металлов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Институт проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины, Киев, 2005.

С помощью методов рентгеновской фотоэлектронной (РФС), эмиссионной и абсорбционной спектроскопии исследованы электронная структура и характер химической связи нестехиометрических соединений на основе переходных металлов: 1) обычных фаз внедрения, которые содержат вакансии либо в металлоидной подрешетке, либо в подрешетке металла; 2) твердых растворов, в которых атомы одного сорта замещаются атомами другого сорта; 3) гидридов и водородных бронз (отдельный класс фаз внедрения из-за специфичности их основного компонента - атома водорода); 4) координационных соединений (фаз Магнели; такие соединения хоть и являются нестехиометрическими, но вакансии в них сконцентрованы по определенным кристаллографическим плоскостям; 5) диселенидов, в которых нестехиометрия может достигаться либо внедрением атомов металла (молекул, или комплексов атомов) между сэндвичами (Se-М-Se), либо отсутствием определенного числа атомов металла в указанных сэндвичах.

Установлено, что формирование металлоидных вакансий в фазах внедрения на основе переходных металлов приводит к возрастанию полуширины рентгеновской полосы эмиссии металла и к уменьшению положительного эффективного заряда на атомах металла, в то время как образование вакансий в подрешетке металла ведет к незначительному возрастанию эффективных зарядов - положительного на атомах металла и отрицательного на атомах неметалла - и к уширению полосы, отображающей энергетическое распределение 2р-состояний неметалла. В нестехиометрических по подрешетке металла кубических натридах тантала обнаружено формирование на рентге-новских эмиссионных NK-полосах вблизи верхнего края pd-гибридной полосы дополнительного пика, появление которого обусловлено формированием группы несвязующих N2p-орбиталей в соединениях TaN_x>1. Показано, что подполосу несвязующих О2p-состояний нельзя наблюдать непосредственно в нестехиометрических по подрешетке металла кубических оксидах титана, по-скольку, во-первых, в ТіО_x>1 она расположена значительно ближе к верхнему краю pd-гибридной полосы по сравнению с TaN_x>1, а во-вторых, кубический монооксид титана даже стехиометрического состава содержит значительное количество вакансий (15 %) по обеим подрешеткам.

В работе рассматриваются вопросы гибридизации электронных состояний атомов в карбидах, нитридах и низших оксидах переходных металлов, а также изменение эффективных зарядов атомов и основных параметров рентгеновских фотоэлектронных и абсорбционных спектров в указанных соединениях при замещении атомов металлоида (металла) одного сорта атомами металлоида (металла) иного сорта.

На примере моноклинных и гексагональных оксидов вольфрама установлено, что относительная интенсивность прифермиевской подполосы d-типа на РФ-спектрах валентных электронов возрастает с увеличением соотношения W:О и не зависит от типа симметрии кристаллической решетки. Обнаруженный в работе эффект уширения РФ-спектров валентных электронов и ОК-полос эмиссии в последовательности “моноклинный WO_x гексагональный WO_x” можно объяснить наличием в гексагональных оксидах вольфрама двух неэквивалентных положений атомов кислорода: атомов, принадлежащих гексагональным плоскостям, и атомов, расположенных между указанными плоскостями.

С помощью метода РФС установлена корреляция между температурой активации и относительной интенсивностью сигнала от кислород- и углеродсодержащих структур, адсорбированных на поверхности кислородстабилизированных гидридообразующих сплавов на основе титана. Результаты РФС-исследований и данные трансмиссионной микроскопии многокомпонентных сплавов на основе лантана и циркония свидетельствуют о том, что легкость активации сплавов типа АВ₅ в сравнении со сплавами типа АВ₂ объясняется существенным различием тех оксидных слоев, которые образуются в указанных сплавах при выдержке на воздухе: оксидный слой La₂О₃, который формируется на поверхности сплавов типа АВ₅, имеет островковую структуру, следовательно, он является проницаемым для молекулярного водорода. В сплавах на основе циркония поверхностный слой оксида циркония является сплошным.

РФС-исследования диселенидов MSe₂ (M = Nb, Mo, Pd, Re) свидетельствуют о том, что изменение симметрии кристаллической решетки или переход в иной политип не сопровождаются изменением зарядового состояния составных атомов.

Ключевые слова: электронная структура, нестехиометрия, фаза внедрения, гидрид, диселенид, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, рентгеновская эмиссионная спектроскопия, рентгеновская абсорбционная спектроскопия, химическая связь.

ABSTRACT

Khyzhun O.Yu. Electronic structure of nonstoichiometric interstitial phases, diselenides and multicomponent hydride-forming alloys based on transition metals. - Manuscript.

Thesis for doctor's degree by speciality 01.04.07 - solid state physics. - Institute for Problems of Materials Science of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The X-ray photoelectron, emission and absorption spectroscopy methods were used to study the electronic structure and character of the chemical bonding of several types of nonstoichiometric compounds based on transition metals, namely: 1) usual interstitial phases containing vacancies either on a non-metal or metal sublattice; 2) interstitial phases in which one type of atoms is substituted by another type of atoms; 3) hydrides and hydrogen bronzes, which are interstitial phases, however due to specificity of hydrogen, their main component, such compounds are considered often separately; 4) coordination compounds (Magneli phases containing crystallographic shear (CS) planes); such compounds are nonstoichiometric phases, nevertheless vacancies are concentrated on specific CS planes; 5) diselenides; in these compounds nonsoichiometry can be achieved either by intercalation of metal atoms (molecules, or complexes of atoms) between the Se-М-Se layers or due to absence of metal atoms in the layers. It has been established that, formation of non-metal vacancies in interstitial phases based on transition metals leads to increasing half-widths of the X-ray emission band of the constituting metal and to decreasing the effective positive charge of the metal atoms, while creation of vacancies on metal sublattice leads to insignificant increasing effective charges (positive of metal atoms and negative of non-metal atoms) and to broadening the X-ray emission band reflecting the energy distribution of the non-metal 2p-like states. The correlation of the surface chemical state and hydrogen-sorption properties of the АВ₂- and АВ₅-type alloys has been considered. Changes of the electronic structure of transition metal compounds due to their trasitions into another polymorphous form or crystal lattice symmetry have been investigated.

Keywords: electronic structure, nonstoichiometry, interstitial phase, hydride, diselenide, X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray emission spectroscopy, X-ray absorption spectroscopy, chemical bonding.

Размещено на Allbest.ru