Нано- и макрокристаллические материалы на основе фаз Ауривиллиуса системы Bi4Ti3O12-BiFeO3: синтез, свойства, размерные эффекты

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-23-00052

НазваниеНано- и макрокристаллические материалы на основе фаз Ауривиллиуса системы Bi4Ti3O12-BiFeO3: синтез, свойства, размерные эффекты

Руководитель Ломанова Наталья Александровна, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-601 - Химия новых неорганических функциональных и наноразмерных материалов

Ключевые слова перовскиты, соединения со слоистой структурой, фазы Ауривиллиуса, ортоферрит висмута, нанокристаллические материалы, наночастицы, керамика, фазообразование, направленный синтез

Код ГРНТИ31.15.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Развитие современных технологий связано с совершенствованием физико-химических основ формирования новых нано- и макроструктурированных мультифункциональных материалов. Проект направлен на создание технологических подходов к получению материалов на основе слоистых перовскитоподобных оксидов со структурой фаз Ауривиллиуса, основанных на нахождении новых связей между составом, строением, размерным фактором и функциональными свойствами. Основными объектами исследования будут фазы Ауривиллиуса Bim+1Fem-3Ti3O3m+3 системы Bi4Ti3O12-BiFeO3, которые являются мультиферроиками и в настоящее время рассматриваются как перспективные материалы для магнитоэлектроники и фотовольтаики. Данные о получении и физических свойствах объемных материалов на основе этих соединений в современной литературе представлены достаточно полно, в то время как о нанокристаллических материалах существуют единичные публикации и касаются, в основном, малослойных нанокристаллов (m≤5). В рамках проекта будет изучено влияние химической предыстории исходной композиции на формирование фаз Ауривилилуса, синтезированных высокотемпературными и низкотемпературными методами. Ожидается, что гомологический ряд Bim+1Fem-3Ti3O3m+3 может быть расширен и некоторые соединения могут быть получены впервые. Будут определены оптимальные технологические параметры синтеза материалов на их основе, позволяющие получать максимальный выход целевого продукта. Будут предложены эффективные технологические подходы, позволяющие управлять функциональным откликом материала путем варьирования химической предыстории исходной композиции и размерного состоянии. Систематическое исследование влияния состава, строения и размерного фактора на функциональные свойства (магнитные, электрофизические, магнитоэлектрические) Bim+1Fem-3Ti3O3m+3, особенно многослойных соединений (m>5), ранее не проводилось и будет представлено впервые. Большое внимание в проекте будет уделяется анализу связи распределения катионов в структуре фаз Ауривиллиуса с механизмом их образования, устойчивостью и функциональными характеристиками материалов на их основе. Нанокомпозиционные материалы на основе перовскитоподобного ортоферрита висмута, крайнего компонента гомологического ряда Bim+1Fem-3Ti3O3m+3, являются еще одним объектом исследования, поскольку вопросы об особенностях их формирования, природе взаимодействия и деталях механизма связи между магнитными подсистемами сейчас широко обсуждаются в научной литературе. Нанокомпозиты, включающие в себя BiFeO3, как один из основных компонентов, интересны для магнитоэлектроники из-за возможности одновременной реализации в них различных типов магнитного порядка. В качестве других компонентов могут выступать ферриты висмута другой структуры, имеющие близкие энергии образования. В проекте будут получены нанокомпозиты с различным фазовым соотношением и определен физический механизм его намагничивания. В настоящее время в литературе технология этих материалов и их свойства практически не описаны. В проекте будут предложены физические модели для описания функционального отклика полученных материалов. В частности, в современной литературе модель намагничивания фаз Ауривиллиуса представлена единичными публикациями только для фазы c m=4 и, как правило, эти работы чисто теоретические. Авторы проекта ранее представили модель намагничивания этого соединения, построенную с учетом экспериментальных данных. В проекте впервые будет предложена модель намагничивания материалов на основе соединений Bim+1Fem-3Ti3O3m+3 с различным числом слоев m. Фундаментальной задачей проекта является определение новых закономерностей между условиями синтеза, строением, размерным фактором и функциональными свойствами (магнитными, магнитоэлектрическими) полученных материалов. Практический аспект проекта будет связан с нахождением инновационных технологических подходов к направленному синтезу перовскитоподобных материалов с заданными свойствами.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Н.А. Ломанова, М.В. Томкович Preparation and characterization of Bi5FeTi3O15 Aurivillius phase and Sr-doped ceramics Journal of the Australian Ceramic Society, Online first (год публикации - 2023)
10.1007/s41779-023-00963-y

2. Ломанова Н.А., Томкович М.В., Уголков В.Л. Формирование пятислойной фазы Ауривиллиуса в зависимости от химической предыстории исходной композиции Новые огнеупоры (Refractories and Industrial Ceramics), № 3, С.21-25 (год публикации - 2023)
10.17073/1683-4518-2023-3-21-25

3. Н.А. Ломанова, С.Г. Ястребов О связи температурного поведения намагниченности со структурой фаз Ауривиллиуса Bim+1Fem-3Ti3O3m+3 Журнал физической химии, Т. 98, №1 (год публикации - 2024)
10.1134/S0036024424010138

4. Ломанова Н.А.,Томкович М.В., Осипов А.В., Волков М.П., Ястребов С.Г. Термическое поведение нано- и макрокристаллических материалов на основе фаз Ауривиллиуса системы Bi4Ti3O12-BiFeO3 XV Симпозиум с международным участием ТЕРМОДИНАМИКА И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, тезисы докладов, Новосибирск-2023, С. 273 (год публикации - 2023)
10.26902/THERM_2023_262

5. Богодухова В.Г., Томкович М.В., Волков М.П., Н.А. Ломанова Магнитные свойства нанокомпозиционных материалов на основе ферритов висмута Аморфные и микрокристаллические полупроводники, Сб. тр. международной конференции, 3-5 июля 2023 г. Санкт-Петербург, С. 248 (год публикации - 2023)

6. Ломанова Н.А., Уголков В.Л., Волков М.П., Ястребов С.Г. Synthesis, thermal and magnetic properties of nanoceramics with a multilayer Aurivillius phase type Materials Science and Engineering: B, v.310, 2024, ArtNo: #117734 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mseb.2024.117734

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Нанокристаллические материалы на основе сложных перовскитоподобных ферритов системы Bi4Ti3O12-BiFeO3, в частности, фаз Ауривиллиуса, перспективны для таких областей техники, как магнитоэлектроника и спинтроника. Обнаружение новых связей между составом, структурой, размерным фактором и функциональным откликом необходимо для развития технологических подходов к получению новых перовскитоподобных наноматериалов. Синтезированы слоистые перовскитоподобные нанокристаллы со структурой фаз Ауривиллиуса Bim+1Fem-3Ti3O3m+3 и нанокомпозиционные частицы xBiFeO3/(1-x)Bi2Fe4O9 на основе ферритов висмута со структурой перовскита и муллита. Проведено исследование влияния условий синтеза исходной композиции (метод золь-гель, соосаждение из растворов, растворное горение) на формирование этих материалов. Фазовый и элементный состав, строение и морфология охарактеризованы методами порошковой рентгеновской дифрактометрии, спектроскопии комбинационного рассеяния, сканирующей электронной микроскопии и элементного анализа, мёссбауэровской спектроскопии. Определены оптимальные параметры синтеза нанокристаллов многослойных фаз Ауривиллиуса и нанокомпозитов в широком диапазоне составов. Показано, что условия подготовки исходной композиции влияют на характер распределения катионов в структуре, что позволяет влиять на характер магнитных взаимодействий и величину суммарной намагниченности полученных материалов. По данным магнитометрии установлено, что синтезированные материалы обладают магнитным порядком при комнатной температуре. Определено, что зависимость намагниченности от температуры для соединений Bim+1Fem-3Ti3O3m+3 имеет вид логистической кривой и модифицированная модель Хилла наилучшим способом аппроксимирует данные эксперимента. С ростом температуры намагниченность падает, проходя через порог перколяции. Разработанная модель намагниченности фаз Ауривиллиуса позволяет прогнозировать влияние температуры на изменение намагниченности материалов с различным числом перовскитоподобных слоев в структуре и ее можно использовать для прогнозирования их магнитных свойств.

Публикации