Кристаллохимия стиллуэллитоподобного BaBPO5 по данным монокристальной дифрактометрии в нестандартных условиях

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Стиллуэллит-(Ce) и некоторые его синтетические аналоги при нагревании претерпевают фазовый переход из полярной (сегнетоэлектрической) модификации в неполярную (параэлектрическую). Однако причины перехода и термической стабильности фаз остаются предметом дискуссий. В данной работе представлены результаты подробного исследования (сканирующая электронная микроскопия, электронно-зондовый анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния (Рамановская), монокристальная дифрактометрия), полученного в гидротермальных условиях соединения BaBPO5, изоструктурного стиллуэллиту-(Ce). Его термическое поведение было изучено in situ методами низкотемпературной (от –173 до 25 ºC) и высокотемпературной (25–800 ºC) монокристальной дифрактометрии. Полностью упорядоченная кристаллическая структура BaBPO5 (при T = 25 °С: тригональная, P3221, a = 7.1166(1) Å, c = 7.0011(1) Å, V = 307.07(1) Å3, R1 = 1.42%) не проявляет никаких изменений симметрии при охлаждении/нагреве, в отличие от природного стиллуэллита-(Ce). Температурное расширение BaBPO5 практически изотропно (αмин = 8.4, αмакс = 8.7 ⋅ 10-6 °С-1), несмотря на цепочечный характер строения борофосфатного аниона. Представлен сравнительный кристаллохимический анализ термического поведения катионных полиэдров для родственных фаз типа стиллуэллита.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

М. Г. Кржижановская

Санкт-Петербургский государственный университет; Институт химии силикатов Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: krzhizhanovskaya@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

Л. А. Горелова

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: mariya.krzhizhanovskaya@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Ю. О. Копылова

Санкт-Петербургский государственный университет; Институт химии силикатов Российской академии наук

Email: krzhizhanovskaya@mail.ru
Россия, Санкт-Петербург; Санкт-Петербург

О. С. Верещагин

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: mariya.krzhizhanovskaya@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Ф. Даль Бо

University of Liège

Email: krzhizhanovskaya@mail.ru

Laboratory of Mineralogy

Бельгия, Liège

Д. В. Панькин

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: mariya.krzhizhanovskaya@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Ф. Хатерт

University of Liège

Email: krzhizhanovskaya@mail.ru

Laboratory of Mineralogy

Бельгия, Liège

Список литературы

  1. Achary S.N., Tyagi A.K. Strong anisotropic expansion of cristobalite-type BPO4. J. Solid State Chem. 2004. Vol. 177. P. 3918–3926.
  2. Agakhanov A.A., Pautov L.A., Karpenko V.Yu., Bekenova G.K., Uvarova Yu.A. Orlovite, KLi2TiSi4O11F, a new mineral of the mica group. New Data on Minerals. 2011. Vol. 46. P. 13–19.
  3. Agakhanov A.A., Pautov L.A., Sokolova, E., Hawthorne F.C., Karpenko V.Yu, Siidra Oleg I., Muftakhov V.A. Odigitriaite, CsNa5Ca5[Si14B2O38]F2, a new caesium borosilicate mineral from the Darai-Pioz alkaline massif, Tajikistan: Description and crystal structure. Miner. Mag. 2017. Vol. 81. P. 113– 122.
  4. Bubnova R.S., Filatov S.K. High-temperature borate crystal chemistry. Z. Krist.-Cryst. Mater. 2013. Vol. 228. N. 9. P. 1646.
  5. Bubnova R.S., Firsova V.A., Filatov S.K. Software for determining the thermal expansion tensor and the graphic representation of its characteristic surface (ThetaToTensor-TTT). Glass Phys. Chem. 2013. Vol. 39. P. 347–350.
  6. Belokoneva E.L., David W.I.F., Forsyth J.B., Knight K.S. Structures and phase transitions of PrBGeO5 in the temperature range 20–800 ºC. J. Phys-Condens. Mat. 1998. Vol. 10. P. 9975–89.
  7. Belokoneva E.L., Shuvaeva V.A., Antipin M.Yu., Leonyuk N.I. Crystal structure of a high-temperature modification of LaBSiO5, a synthetic analog of stillwellite. Zh. Neorg. Khimii. 1996. Vol. 41. P. 1097–1101.
  8. Burns P.C., Hawthorne F.C., MacDonald D.J., della Ventura G., Parodi G.C. The crystal structure of stillwellite. Canad. Miner. 1993. Vol. 31. P. 147–152.
  9. Dolomanov O.V., Blake A.J, Champness N.R., Schroder M. OLEX: new software for visualization and analysis of extended crystal structures. J. Appl. Crystallogr. 2013. Vol. 36. P. 1283–1284.
  10. Filatov S.K., Bubnova R.S. Borate сrystal сhemistry. Physics and Chemistry of Glasses. 2000. Vol. 41. N 5. P. 216–224.
  11. Ewald B., Huang Y.-X., Kniep R. Structural chemistry of borophosphates, metalloborophosphates, and related compounds. Z. Anorg. Allg. Chem. 2007. Vol. 633. P. 1517–1540.
  12. Gorelova L.A., Vereshchagin O.S., Aslandukov A., Aslandukova A., Spiridonova D., Krzhizhanovskaya M., Kasatkin A., Dubrovinsky L. Hydroxylherderite (Ca2Be2P2O8(OH)2) stability under extreme conditions (up to 750 °C/100 GPa). J. Amer. Ceram. Soc. 2023. Vol. 106. P. 2622–2634.
  13. Hazen R.M., Finger L.W., Agrawaln D.K., McKinstry H.A., Perrotta A.G. High-temperature crystal chemistry of sodium zirconium phosphate (NZP). J. Mater. Res. 1987. Vol. 2. P. 329–337.
  14. Hazen R.M., Downs R.T. High-Temperature and High Pressure Crystal Chemistry. Rev. Miner.Geochem. 2000. Vol. 41.
  15. Hirtopanu P., Andersen C.J., Fairhurst J.R., Jakab G. Allanite-(Ce) and its associations, from the Ditrau alkaline intrusive massif. Proc. Rom. Acad., Series B. 2013. Vol. 15. P. 59–74.
  16. Huminicki D.M.C., Hawthorne F.C. The Crystal Chemistry of the Phosphate Minerals, Rev. Miner. Geochem. 2002. Vol. 48. N 1. P. 123–253.
  17. Inorganic Crystal Structure Database (ICSD). 2023.
  18. Juwhari H.K., White W.B. Luminescence of rare earth borosilicates with the stillwellite and related structures. Mater. Lett. 2010. Vol. 64. N 15. P. 1751–1754.
  19. Kniep R., Gözel G., Eisenmann B., Röhr C., Asbrand M., Kizilyalli M. Borophosphates – a neglected class of compounds: Crystal structures of MII[BPO5] (MII = Ca, Sr) and Ba3[BP3O12]. Angew. Chem. 1994. Vol. 106. P. 791–793.
  20. Krzhizhanovskaya M.G., Kopylova Yu.O., Obozova E.D., Zalesskii V.G., Lushnikov S.G., Gorelova L.A., Shilovskikh V.V., Ugolkov V.L., Britvin S.N., Pekov I.V. Thermal evolution of stillwellite, CeBSiO5, a natural prototype for a family of NLO-active materials. J. Solid. State Chem. 2023. Vol. 318. Nо 123786.
  21. Krzhizhanovskaya M.G., Vereshchagin J.S., Kopylova Yu.O., Gorelova L.A., Pankin D.V., Yukhno V.A., Vlasenko N.S., Bocharov V.M., Britvin S.N. The structural origin and boundaries of thermal transitions in stillwellite-type LnBSiO5. Opt. Mater. 2024. Vol. 147. 114651.
  22. Lei B., Jing Q., Yang Z., Pan S. Anomalous second-harmonic generation response in SrBPO5 and BaBPO5. J. Mater. Chem. C. 2015. Vol. 3. P. 1557–1566.
  23. McAndrew J., Scott T.R. Stillwellite, a new rare-earth mineral from Queensland. Nature. 1955. Vol. 176. P. 509.
  24. Mutailipu M., Poeppelmeier K.R., Pan S. Borates: A rich source for optical materials. Chem. Rev. 2021. Vol. 121. P. 1130–1202.
  25. Moore P.B., Ghose S. A novel face-sharing octahedral trimer in the crystal structure of Seamanite. Amer. Miner. 1971. Vol. 56. P. 1527–1538.
  26. Nakae H., Kihara K., Hirano S. The crystal structure of the quartz-type form of GaPO4 and its temperature dependence. Z. Krist. 1995. Vol. 210. P. 746–753.
  27. Neumann H., Bergstøl S., Nilssen B. Contributions to the mineralogy of Norway. No. 34. Stillwellite in the Langesundfjord nepheline syenite pegmatite dykes. Norsk Geologisk Tidsskrift [Norweg. J. Geol.] 1966. Vol. 46. P. 327–334.
  28. Onodera A., Belov A.A., Taraskin S.A., Yamashita H., Uesu Y. Thermal and dielectric properties of a new ferroelectric LaBGeO5. J. Phys. Soc. Jpn. 1992. Vol. 62. P. 4311–15.
  29. Pan S., Wu Y., Fu P., Zhang G., Wang G., Guan X., Du C., Chen C. The growth of BaBPO5 crystals from Li4P2O7 flux. J. Cryst. Growth. 2002. Vol. 236. P. 613–616.
  30. Pan S., Wu X., Fu P.Z., Guochun G., Chenxia Du C, Chuangyan C., Zhang H., Liu Q., Chen X., Yang J., Zhuang W., Rao G. Study on the growth, structure of nonlinear optical crystal BaBPO5. Rengong Jingti Xuebao. 2003. Vol. 32. P. 281–285.
  31. Pautov L.A., Agakhanov A.A., Sokolova E.V., Hawthorne F., Karpenko V.Yu. Byzantievite, Ba5(Ca,REE,Y)22(Ti,Nb)18(SiO4)4[(PO4),(SiO4)]4(BO3)9O21[(OH),F]43(H2O)1.5, a new mineral. New Data on Minerals. 2011. Vol. 46. P. 5–12.
  32. Pekov I.V., Zubkova N.V., Koshlyakova N.N., Belakovskiy D.I., Agakhanov A.A., Sidorov E.G., Rhabdoborite-(V), rhabdoborite-(Mo) and rhabdoborite-(W): a new group of borate minerals with the general formula Mg12M113/O6[(BO3)6–x(PO4)xF2–x] (M = V5+, Mo6+ or W6+ and x < 1). Phys. Chem. Minerals. 2020. Vol. 47. P. 44.
  33. Petersen O.V. List of all minerals identified in the Ilímaussaq alkaline complex, South Greenland. Geol. Greenland Surv. Bull. 2001. Vol. 190. P. 25–35.
  34. Pushcharovskii D.Yu., Gobechiya E.R., Pasero M., Merlino S., Dimitrova O.V. Hydrothermal synthesis and crystal structures of (Li, Ba)-nanoborate, LiBaB9O15, and Ba-borophosphate, BaBPO5. J. Alloy. Compd. 2002. Vol. 339. P. 70–75.
  35. Raade G., Grice J.D., Erambert M., Kristiansson P., Witzke T. Proshchenkoite-(Y) from Russia – a new mineral species in the vicanite group: descriptive data and crystal structure. Miner. Mag. 2008. Vol. 72. P. 1071–1082.
  36. Shannon R.D. Revised Effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides, Acta Crystallogr. A. 1976. Vol. 32. 751–767.
  37. Sen Gupta P.K., Swihart G.H., Dimitrijevic R., Hossain M.B. The crystal structure of lueneburgite, Mg3(H2O)6(B2(OH)6(PO4)2). Amer. Miner. 1991. Vol. 76. P. 1400–1407.
  38. Sheldrick G.M. Crystal structure refinement with SHELXL. Acta Cryst. 2015. Vol. 71. P. 3–8.
  39. Shi Y., Liang J.-K., Zhang H., Yang J.-L., Zhuang W.D., Rao G.-H. Crystal structure and vibrational spectra studies of stillwellite compounds NdBSiO5. J. Alloy. Compd. 1997. Vol. 259. P. 163–169.
  40. Sokolova E., Hawthorne F.C., Pautov L.A., Agakhanov A.A. Byzantievite, Ba5(Ca,REE,Y)22 (Ti,Nb)18(SiO4)4[(PO4),(SiO4)]4(BO3)9O21[(OH),F]43(H2O)1.5: the crystal structure and crystal chemistry of the only known mineral with the oxyanions (BO3), (SiO4) and (PO4). Miner. Mag. 2010. Vol. 74. P. 285–308.
  41. Søerensen H. (Eds.): The Ilimaussaq alkaline complex, South Greenland: status of mineralogical research with new results. Geol. Greenland Surv. Bull. 2001. Vol. 190. 167 p.
  42. Stefanovich S.Yu., Mill B., Sigaev V.N. Processing and characterisation of ferro/piezoelectrics in the stillwellite family. Ferroelectrics. 1997. Vol. 201. P. 285–294.
  43. Uvarova Y.A., Sokolova E., Hawthorne F.C., Agakhanov A.A., Karpenko V.Y., Pautov L.A. The crystal structure of laptevite-(Ce), NaFe2+(REE7Ca5Y3)(SiO4)4(Si3B2PO18)(BO3)F11, a new mineral species from the Darai-Pioz alkaline massif, Northern Tajikistan. Z. Kristallogr.-Cryst. Mater. 2013. Vol. 228. P. 550–557.
  44. Voronkov A.A., Pyatenko Y.A. X-ray diffraction study of the atomic structure of stillwellite CeBO[SiO4]. Sov. Phys. Cryst. 1967. Vol. 12. P. 214–220.
  45. Zhang J., Wang D., Zhang D., Zhang Q., Sun D., Yin S. In situ investigation of BaBPO5 crystal growth mechanism by high-temperature Raman spectroscopy. J. Mol. Struct. 2017. Vol. 1138. P. 50–54.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Морфология кристаллов BaBPO5: сросток кристаллов (а); монокристалл, использованный для терморентгеновского исследования (б).

Скачать (112KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рамановский спектр BaBPO5 в диапазоне 80–1280 см-1 (a) и во всем диапазоне съемки (б).

Скачать (99KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимость некоторых геометрических характеристик структуры BaBPO5 от температуры по данным монокристальной терморентгенографии: (a) параметры элементарной ячейки, (б) длины связей в полиэдре BaO10, (в) средние длины связей в тетраэдрах PO4 и BO4, углы B–O–B и O–B–O в цепи из тетраэдров BO4. Данные низкотемпературных съемок соответствуют крестикам, высокотемпературных – ромбам. Размер символов больше, чем величины погрешностей.

Скачать (179KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кристаллические структуры при комнатной температуре и проекции тензоров термического расширения BaBSiO5 (a) (настоящая работа) и CeBSiO5 (б) (Krzhizhanovskaya et al., 2023).

Скачать (180KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».