Предел растворимости и микроструктура редкоземельных элементов в монокристаллах и керамических твердых растворах (La1−xRx)3Ga5SiO14 (R = Gd–Ho)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Методами рентгенофазового анализа и аналитической электронной микроскопии изучены образцы монокристаллов и керамических твердых растворов (La1−xRx)3Ga5SiO14 с R = Gd–Ho в диапазоне 0 ≤ х ≤ 0.4 (по исходной шихте) с целью определения предела растворимости редкоземельных элементов в структуре лангасита. Твердые растворы на основе структуры лангасита преобладают вплоть до максимальных концентраций, однако при x ≥ 0.15 в случае Но и x ≥ 0.2 в случае Tb начинают выпадать примесные фазы со структурами граната R3Ga5O12 и типа La2SiO5. Монокристаллы лангаситов с замещением La на Tb, Dy или Ho до х = 0.05, а Gd до х = 0.2 имеют однородную структуру, однако при х > 0.1 в кристаллах (La1−xTbx)3Ga5SiO14 возникают вкрапления паразитных фаз с указанными выше структурами. Кривые намагничивания кристаллов (La1−xRx)3Ga5SiO14 (R=Ho и Tb), измеренные при 1.85–2 К, проявляют сильную магнитокристаллическую анизотропию, причем магнитный момент, рассчитанный на ион R3+, оказывается приблизительно одинаковым для всех изученных концентраций тяжелого редкоземельного элемента. Исследованы температурно-частотные зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь керамических образцов (La1−xHox)3Ga5SiO14 (x ≤ 0.2) и (La1−xTbx)3Ga5SiO14 (x ≤ 0.3) в диапазоне T = 77–700 К при частотах f = 1 кГц–1 МГц. Обнаружена релаксация дебаевского типа с энергией активации около 2 эВ.

Full Text

Restricted Access

About the authors

М. Е. Ворончихина

Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук

Email: ivanov@ran.gpi.ru
Russian Federation, ГСП-1, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

А. В. Матасов

Национальный исследовательский университет “МЭИ”

Email: ivanov@ran.gpi.ru
Russian Federation, ул. Краснознаменная, 14, стр. 1, Москва, 111250

В. Ю. Иванов

Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: ivanov@ran.gpi.ru
Russian Federation, ГСП-1, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

Л. Д. Исхакова

Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук, Научный центр волоконной оптики им. Е. М. Дианова

Email: ivanov@ran.gpi.ru
Russian Federation, ГСП-1, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

А. М. Кузьменко

Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук

Email: ivanov@ran.gpi.ru
Russian Federation, ГСП-1, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

М. А. Сысоев

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: ivanov@ran.gpi.ru
Russian Federation, пр. Вернадского, 78, Москва, 119454

А. А. Мухин

Институт общей физики им. А. М. Прохорова Российской академии наук

Email: ivanov@ran.gpi.ru
Russian Federation, ГСП-1, ул. Вавилова, 38, Москва, 119991

References

  1. Mill B.V., Butashin A.V., Khodzhabagyan G.G., Belokoneva E.L., Belov N.V. Modified Rare-Earth Gallates with the Structure of Ca3Ga2Ge4O1 // Dokl. Akad. Nauk SSSR. 1982. V. 264. № 6. P. 1395.
  2. Mill B.V., Pisarevsky Y.V. Langasite-Type Materials: from Discovery to Present State // Proc. IEEE/EIA International Frequency Control Symposium. Piscataway. Kansas City. Missouri. 2000. P. 133–144.
  3. Каминский А.А., Милль Б.В., Саркисов С.Э. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов. М.: Наука, 1986. С. 197.
  4. Sato J., Takeda H., Morikoshi H., Shimamura K., Rudolph P., Fukuda T. Czochralski Growth of RE3Ga5SiO14 (RE=La, Pr, Nd) Single Crystals for the Analysis of the Influence of Rare Earth Substitution on Piezoelectricity // J. Cryst. Growth. 1998. V. 191. № 4. P. 746–753. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(98)00362-5
  5. Iwataki T., Ohsato H., Tanaka K., Morikoshi H., Sato J., Kawasaki K. Mechanism of the Piezoelectricity of Langasite Based on the Crystal Structures // J. Eur. Ceram. Soc. 2001. V. 21. № 10–11. P. 1409–1412. https://doi.org/10.1016/S0955-2219(01)00029-2
  6. Zhou H.D., Vogt B.W., Janik J.A., Jo Y.-J., Balicas L., Qiu Y., Copley J.R.D., Gardner J.S., Wiebe C.R. Partial Field-Induced Magnetic Order in the Spin-Liquid Kagomé Nd3Ga5SiO14 // Phys. Rev. Lett. 2007. V. 99. № 23. P. 1–4. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.236401
  7. Zhou H.D., Wiebe C.R., Yo Y.J., Balicas L., Takano Y., Case M.J., Qiu Y., Copley J.R.D., Gardner J.S. Nanoscale Freezing of the 2D Spin Liquid Pr3Ga5SiO14. 2008. arXiv: 0808.2819
  8. Mukhin A.A., Ivanov V.Yu., Mill B.V. Observation of the Magnetic Field Induced Ferroelectricity in Rare-Earth Langasites: Nd3Ga5SiO14 // Book of Abstracts. Moscow International Symposium on Magnetism (1–5 July 2017). Moscow: M.V. Lomonosov Moscow State Univ., 2017. P. 663.
  9. Weymann L., Bergen L., Kain T. et al. Unusual Magnetoelectric Effect in Paramagnetic Rare-Earth Langasite // npj Quant. Mater. 2020. V. 5. № 1. P. 61. https://doi.org/10.1038/s41535-020-00263-9
  10. ICSD: Inorganic Crystal Structure Database, FIZ Karlsruhe.
  11. Wang S.-Q., Uda S. Phase Relations around Langasite (La3Ga5SiO14) in the System La2O3−Ga2O3−SiO2 in Air // J. Cryst. Growth. 2003. V. 250. P. 463–470. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(02)02489-2
  12. Wang Z., Yuan D., Shi X., Cheng X., Xu D., Lu M., Pan L., Guo S. Crystal Growth and Spectroscopic Properties of Er:La3Ga5SiO14 Single Crystal // J. Cryst. Growth. 2003. V. 257. P. 141–145. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(03)01411-8
  13. Wang Z., Yuan D., Shi X., Cheng X., Xu D., Lu M., Pan L. Crystal Growth and Optical Properties of Dy:La3Ga5SiO14 Single Crystals // J. Cryst. Growth. 2004. V. 263. P. 246–250. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2003.11.087
  14. Wang Z., Yuan D., Xu D., Lu M., Cheng X., Pan L., Shi X. Growth and Optical Properties of Eu3+-Doped La3Ga5SiO14 Single Crystal // J. Cryst. Growth. 2003. V. 255. P. 348–352. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(03)01269-7
  15. Wang Z., Yin Y., Yuan D. Optical Transitions in Ho3+ Doped La3Ga5SiO14 Crystals // J. Alloys Compd. 2007. V. 436. P. 364–368. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.07.050
  16. Дудка А.П., Милль Б.В. Рентгеноструктурное исследование кристалла Nd3Ga5SiO14 при 295 и 90 K и структурная основа хиральности // Кристаллография. 2014. Т. 59. № 5. С. 759–768. https://doi.org/10.7868/S0023476114050038
  17. Дудка А.П., Балбашов А.М. Рост и температурная эволюция атомной структуры кристаллов Pr3Ga5SiO14 из семейства лангасита // Кристаллография. 2020. Т. 65. № 2. С. 223–228. https://doi.org/10.1134/S1063774520020054
  18. Zorko A., Bert F., Mendels P.et al. Quantum Tunneling in Half-Integer-Spin Kagome-Lattice Langasites. 2012. arXiv: 1210.8187
  19. Iskhakova L.D., Ilyukhin A.B., Kutovoi S.A., Vlasov V.I., Zavartsev Y.D., Tarasov V.F., Eremina R.M. The Crystal Structure of New Quantum Memorystorage Material Sc1.368Y0.632SiO5 // Acta Crystallogr., Sect. C: Cryst. Struct. Commun. 2019. V. 75. P. 1202–1207. https://doi.org/10.1107/S2053229619010507
  20. Ogugua S.N., Swart H.C., Ntwaeaborwa O.M. The Dynamics of the Photoluminescence of Pr3+ in Mixed Lanthanum Yttrium Oxyorthosilicate Hosts // Sens. Actuators, B. 2017. V. 250. P. 285–299.
  21. Тихановский А.Ю., Иванов В.Ю., Кузьменко А.М., Мухин А.А. Влияние локальной анизотропии редкоземельного иона на макроскопические магнитные свойства лангасита (La0.985Ho0.015)3Ga5SiO14 // Докл. РАН. Физика, технические науки. 2024. Т. 514. № 1–2. С. 34–39. https://doi.org/10.31857/S2686740024010056
  22. Bergen L., Weymann L., Wettstein J., Kuzmenko A.M., Mukhin A.A., Mill B.V., Pimenov A., Constable E. Lattice Contributions to the Anisotropic Dielectric Response of Rare-Earth Langasites // Phys. Rev. B: Condens. Matter. 2021. V. 104. P. 024106. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.024106
  23. Fritze H., Tuller H.L., Borchard G., Fukuda T. High-Temperature Properties of Langasite // MRS Online Proceedings Library. 1999. V. 604. P. 65–70. https://doi.org/10.1557/proc-604-65
  24. Bokov A. A., Ye Z. Dielectric Relaxation in Relaxor Ferroelectrics // J. Adv. Dielectrics. 2012. V. 2. № 02. P. 1241010. https://doi.org/10.1142/s2010135x1241010x22

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. SEM images (Z-contrast) of peripheral areas of (La0.86Tb0.14)3Ga5SiO14 single crystals with inclusions of impurity phases (light areas).

Download (47KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Diffraction patterns of single crystals of pure langasite; langasite doped with terbium (x = 0.15); and ceramics (La1−xRx)3Ga5SiO14 with R = Tb (x = 0.3) and Ho (x = 0.2).

Download (32KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Lattice parameters of (La1−xTbx)3Ga5SiO14 calculated from XRD data for ceramic samples (black symbols) and single crystals (red symbols).

Download (26KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Lattice parameters of (La1−xHox)3Ga5SiO14 ceramic samples.

Download (25KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Magnetization curves of (La1−x*Hoх*)3Ga5SiO14 single crystals along the a and c axes at T = 1.9 K for x* = 0.015 (a) and 0.043 (b).

Download (38KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Magnetization curves of (La1−xTbx)3Ga5SiO14 crystals along the a and c axes and a ceramic sample with x = 0.3 at T = 1.9 K.

Download (24KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Temperature-frequency dependences of ε and tgδ of the ceramic sample La3Ga5SiO14.

Download (29KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Dependences of the relaxation frequency on the inverse temperature for ceramic samples (La1−x(Ho, Tb)x)3Ga5SiO14: the dots correspond to the maxima on tanδ (Τ) (Fig. 7), the straight lines are the results of approximating the observed relaxation using the Arrhenius formula; the insets show the concentration dependences of the activation energy.

Download (40KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».