Stabilization of the Ba4Y3F17 phase in the NaF-BaF2-YF3 system

Павел Павлович Федоров; Ангелина Алексеевна Волчек; Валерий Вениаминович Воронов; Aлександр Aлександрович Александров; Сергей Викторович Кузнецов

doi:10.17308/kcmf.2024.26/11942

Павел Павлович Федоров Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-2918-3926
Ангелина Алексеевна Волчек Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7743-1376
Валерий Вениаминович Воронов Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-5029-8560
Aлександр Aлександрович Александров Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7874-7284
Сергей Викторович Кузнецов Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-7669-1106

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2024.26/11942

Ключевые слова: фторид натрия, фторид бария, фторид иттрия, твердый раствор

Аннотация

Путем твердофазного спекания компонентов во фторирующей атмосфере при 750 °C на протяжении двух недель с закалкой в жидком азоте изучено фазообразование в системе NaF-BaF2-YF3.

Подготовленные образцы запаковывали в никелевые капилляры, которые вместе с гидрофторидом бария BaF₂·НF помещали в медные контейнеры. Контейнеры заваривали аргонно-дуговой сваркой. Фторирующая атмосфера создавалась пиролизом гидрофторида бария BaF₂·HF. Рентгенофазовый анализ проведен на дифрактометре Bruker D8 Advanced, излучение CuKa. Для обработки дифрактограмм было использовано программное обеспечение TOPAS, DifWin, и Powder 2.0.

Фторид натрия является хорошей спекающей добавкой, введение его уже в количестве 5 мол. % NaF позволило синтезировать хорошие спеки с четкими дифрактограммами. Обнаружено образование твердого раствора на основе соединения Ba₄Y₃F₁₇ c тригонально-искаженной структурой флюорита (пр. группа R-3) с содержанием до ~ 20 мол. % NaF. Параметры тригональной ячейки связаны с параметром флюоритовой субъячейки а0 соотношениями а ~ √7/2а0, с ~2√3а0. Общая формула образующегося твердого раствора Ba_1–x–yY_xNa_yF_2+x–y. Введение фторида натрия уменьшает параметры тригональной решетки и сопровождается образованием анионных вакансий. Стабилизация структуры, выражающаяся в расширении области гомогенности фазы на основе Ba₄Y₃F₁₇, по-видимому,
связана с исчезновением интерстициальных ионов фтора, находящихся в анионном окружении в структуре Ba₄Y₃F₁₇ как в кубооктаэдрической полости кластеров Y₆F₃₆, так и в центре кубов F₈.
Соответствующий твердый раствор может быть основой новых материалов фотоники. Система NaF-BaF₂-YF₃ аналогична изученной ранее системе NaF-BaF₂-GdF₃

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Павел Павлович Федоров, Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация

д. х. н., профессор, гл.н. с., Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Ангелина Алексеевна Волчек, Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация

и. о. м. н. с., Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Валерий Вениаминович Воронов, Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация

к. ф.-м. н., в. н. с., Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Aлександр Aлександрович Александров, Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация

м. н. с., Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Сергей Викторович Кузнецов, Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, ул. Вавилова, 38, Москва 119991, Российская Федерация

в. н. с. Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук (Москва, Российская Федерация)

Литература

Tkachenko N. L., Shvantner M., Sobolev B. P. Phase diagram of the BaF2-YF3 system. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials]. 1977;13(5): 847–849. (In Russ).

Sobolev B. P., Tkachenko N. L. Phase diagrams of BaF2-(Y, Ln)F3 systems. Journal of the Less Common Metals. 1982;85: 155–170. https://doi.org/10.1016/0022-5088(82)90067-4

Sobolev B. P. The rare earth trifluorides. Part 1. The high temperature chemistry of the rare earth trifluorides. Barcelona: Institut d’Estudis Catalans;2000. 520 с.

Guggenheim H. J., Johnson L. F. New fluoride compounds for efficient infrared-to-visible conversion. Applied Physics Letters. 1969;15(2): 51-52. https://doi.org/10.1063/1.1652898

Kieser M., Greis O. Darstellung und Eigenschaften der Fluorituberstrukturhasen Ba4SE3F17 mit SE = Ce-Nd, Sm-Lu und Y. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1980;469: 164–171. https://doi.org/10.1002/zaac.19804690123

Greis O., Kieser M. Electron diffraction from single crystals of Ba4Pr3F17, Ba4Nd3F17, Ba4Gd3F17 and Ba4Dy3F17. Journal of the Less Common Metals. 1980;75(1): 119–123. https://doi.org/10.1016/0022-5088(80)90376-8

Greis O., Haschke J. M. Rare earth fluorides. Handbook on the physics and chemistry of rare earths. K. A. Gschneidner & Le Roy Eyring (eds.). Amsterdam, N.Y., Oxford: 1982;5: 387–460. https://doi.org/10.1016/S0168-1273(82)05008-9

Maksimov B. A., Dudka A. P., Genkina E. A., … Golubev A. M. The fluorite-matrix-based Ba4R3F17 (R = Y,Yb) crystal structure. Ordering of cations and specific features of the anionic motif. Crystallography Reports. 1996;41(1): 50–57. Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=13237398

Tyagi F. K., Kohler J. Preparation and structural elucidation of new anion-excess fluorite variant Ba4Er3F17. Solid State Science. 2001;3: 689–695. https://doi.org/10.1016/S1293-2558(01)01167-0

Greis O., Uwais B. M., Horne W. Preparation and characterization of superstructure phases Pb4R3F17 with R = Sm, Gd and Er to Lu. Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1989;186: 104–107.

Dib A., Aleonard S. J. Structure cristalline de Pb8Y6F32O. Journal of Solid State Chemistry. 1986;64(2): 148–161. https://doi.org/10.1016/0022-4596(86)90134-9

Dombrovski E. N., Serov T. V., Abakumov A. M., Ardashnikova E.I., Dolgikh V.A., Van Tendeloo G. The structural investigation of Ba4Bi3F17. Journal of Solid State Chemistry. 2004;177(1): 312–318. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2003.08.022

Kuznetsov S. V., Yarotskaya I. V., Fedorov P. P., … Osiko V. V. Preparation of nanopowdered M1- xRxF2+x (M = Ca, Sr, Ba; R = Ce, Nd, Er, Yb) solid solutions. Russian Journal of Inorganic Chemistry 2007;52(3): 315–320. https://doi.org/10.1134/s0036023607030035

Kuznetsov S. V., Fedorov P. P., Voronov V. V., Samarina K. S., Ermakov R. P., Osiko V. V. Synthesis of Ba4R3F17 (R stands for rare-earth elements) powders and transparent compacts on their base. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2010;55(4): 484–493. https://doi.org/10.1134/S0036023610040029

Fedorov Р. P., Mayakova M. N., Kuznetsov S. V., … Osiko V. V. Co-Precipitation of Yttrium and Barium Fluorides from Aqueous Solutions. Materials Research Bulletin. 2012;47: 1794–1799. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2012.03.027

Mayakova M. N., Voronov V. V., Iskhakova L. D., Kuznetsov S. V., Fedorov P. P. Low-temperature phase formation in the BаF2-CeF3 system. Journal of Fluorine Chemistry. 2016;187: 33–39. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2016.05.008

Fedorov P. P., Mayakova M. N., Kuznetsov S. V., … Iskhakova L. D. Coprecipitation of barium-bismuth fluorides from aqueous solutions: Nanochemical effects. Nanotechnologies in Russia. 2011;6(3-4): 203-210. https://doi.org/10.1134/s1995078011020078

Zhang C., Ma P., Li C., … Lin J. Controllable and white upconversion luminescence in BaYF5 :Ln3+ (Ln =Yb, Er, Tm) nanocrystals. Journal of Materials Chemistry. 2011;21: 717–723. https://doi.org/10.1039/C0JM02948C

Lei Y., Pang M., Fan W., … Zhang H. Microwaweassisted synthesis of hydrophilic BaYF5:Tb/Ce,Tb green fluororescent colloid nanocrystals. Dalton Transactions. 2011;40: 142-145. https://doi.org/10.1039/C0DT00873G

Lei L., Chen D., Huang F., Yu Y., Wang Y. Syntheses and optical properties of monodisperse BaLnF5 (Ln = La-Lu, Y). Journal of Alloys and Compounds. 2012;540: 27–31. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.06.078

Karbowiak M., Cichos J. Does BaYF5 exist? – The BaF2-YF3 solid solution revisited using photoluminescence spectroscopy. Journal of Alloys and Compounds. 2016;673: 258–264. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.02.255

Ostwald W. Studien ueber die Bilding und Umwandlung fester Koerper. Zeitschrift für Physikalische Chemie. 1897;22: 289–330. https://doi.org/10.1515/zpch-1897-2233

Threifall T. Structural and thermodynamic explanations of Ostwald’s rule. Organic Process Research & Development. 2003;7(6): 1017–1027. https://doi.org/10.1021/op030026l

E. I., … Fedorov P. P. Down-conversion luminescence of Yb3+ in novel Ba4Y3F17:Yb:Ce solid solution by excitation of Ce3+ in UV spectral range. Optical Materials. 2020;108: 110185. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2020.110185

Tomkus M., Natansohn S. J. Anti-Stocs phosphors in BaF2-RF3 systems. Journal of The Electrochemical Society. 1971;118(3): 70.

Johnsen L. F., Guggenheim H. J., Rich T. C., Ostermayer F. W. Infrared-to-visible conversions by rare-earth ions in crystals. Journal of Applied Physics. 1972; 43(3): 1125–1137. https://doi.org/10.1063/1.1661225

Rich T. C., Pinnow D. A. Exploring the ultimate efficiency in infrared-to visible converting phosphors activated with Er and sensitized with Yb. Journal of Applied Physics. 1972;43(5): 2357–2365. https://doi.org/10.1063/1.1661503

Xincren L., Gang X., Powell R. C. Fluorescence and energy-transfer characteristics of rare earth ions in BaYF5 crystals. Journal of Solid State Chemistry. 1986;62: 83–91. https://doi.org/10.1016/0022-4596(86)90219-7

Liu F., Wang Y., Chen D., … Huang P. Upconversion emission of a novel glass ceramic containing Er3+:BaYF5 nano-crystals. Materials Letters. 2007;61(28): 5022–5025. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.03.089

Vetrone F., Mahalingam V., Capobianco J. H. Near-infrared-to blue upconversion in colloidal BaYF5:Tm3+,Yb3+ nanocrystals. Chemistry of Materials. 2009;21: 1847–1851. https://doi.org/10.1021/cm900313s

Shan Z., Chen D., Yu Y., … Wang Y. Upconversion luminescence of Ho3+ sensitized by Yb3+ in transparent glass ceramic embedding BaYF5 nanocrystals. Materials Research Bulletin. 2010;45(8): 1017–1020. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2010.04.004

Fedorov P., Mayakova M., Alexandrov A., … Ivanov V. The melt of sodium nitrate as a medium for the synthesis of fluorides. Inorganics. 2018;6(2):38. https://doi.org/10.3390/inorganics6020038

Alexandrov A. A., Petrova L. A., Pominova D. V., … Fedorov P. P. Novel fluoride matrix for dual-range optical sensors and visualization. Applied Sciences. 2023;13(18): 9999. https://doi.org/10.3390/app13189999

Fedorov P. P., Volkov S. V., Vaitieva Yu. A., Alexandrov A. A., Kuznetsov S. V., Konushkin V. A. Fluorite-like phases based on barium fluorides and rare-earth elements. Zhurnal strukturnoi khimii [Journal of Structural Chemistry]. 2024;65(5): 126843. (In Russ). https://doi.org/10.26902/JSC_id126843

Fedorov P. P., Alexandrov A. A., Voronov V. V., Mayakova M. N., Baranchikov A. E., Ivanov V. K. Lowtemperature phase formation in the SrF2 - LaF3 system. Journal of the American Ceramic Society. 2021;104(6): 2836-2848. https://doi.org/10.1111/jace.17666

Alexandrov A. A., Bragina A. G., Sorokin N. I., … Fedorov P. P. Low-temperature phase formation in the BaF2-LaF3 system. Neorganicheskie materialy [Inorganic Materials]. 2023;59(3): 306–316. (In Russ). https://doi.org/10.31857/S0002337X23030016

Sobolev B. P., Fedorov P. P. Phase diagramms of the CaF2 - (Y,Ln)F3 systems. I. Experimental. Journal of the Less Common Metals. 1978;60(1): 33-46. https://doi.org/10.1016/0022-5088(78)90087-5

Sobolev B. P., Seiranian K. B. Phase diagrams of systems SrF2–(Y,Ln)F3. II. Fusibility of systems and thermal behavior of phases. Journal of Solid State Chemistry. 1981;39(2): 337–344. https://doi.org/10.1016/0022-4596(81)90268-1

Fedorov P. P. Third law of thermodynamics as applied to phase diagrams. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2010;55(11): 1722–1739. https://doi.org/10.1134/s0036023610110100

Fedorov P.P. Heterovalent isomorphism and solid solutions with a variable number of ions in the unit cell. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2000;45(3):268–291. Available at: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=13360696

Pavlova L. N., Fedorov P. P., Olkhovaya L. A., Ikrami D. D., Sobolev B. P. Ordering of the heterovalent solid solution of the fluorite structure in the NaF-BaF2-GdF3 system. Kristalografia [Crystallography Reports]. 1993;38(2): 164–169. (In Russ).