Non-ambient crystal chemistry of stillwellite-like BaBPO5 from single crystal XRD data

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Stillwellite-(Ce) and some its synthetic analogues tend to undergo phase transition from polar (ferroelectric) to nonpolar (paraelectric) modification on heating. However, the reasons for the transition and phase stability remain the subject of scientific debate. Here we present detail studies (scanning electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, Raman spectroscopy and single-crystal X-ray diffraction (SCXRD)) of hydrothermally grown BaBPO5 isostructural with stillwellite-(Ce). Its thermal behavior was studied by an in situ low- (from –173 to +25 °C) and high-temperature (HT; 25–800 °C) SCXRD. Fully ordered crystal structure of BaBPO5 (at T = 25 °C: trigonal, P3221, a = 7.1166(1) Å, c = 7.0011(1) Å, V = 307.07(1) Å3, R1 = 1.42 %) does not exhibit any change of symmetry upon cooling / heating unlike natural stillwellite-(Ce). Thermal expansion of BaBPO5 is almost isotropic (αmin = 8.4, αmax = 8.7⋅10-6 °C-1) despite the chain nature of borophosphate anion. The comparative crystal chemical analysis of HT behavior of cationic polyhedra in the stillwellite-family members is presented.

Full Text

Restricted Access

About the authors

M. G. Krzhizhanovskaya

Saint Petersburg State University; Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: krzhizhanovskaya@mail.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

L. A. Gorelova

Saint Petersburg State University

Email: mariya.krzhizhanovskaya@spbu.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

Yu. O. Kopylova

Saint Petersburg State University; Institute of Silicate Chemistry of Russian Academy of Sciences

Email: krzhizhanovskaya@mail.ru
Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

O. S. Vereshchagin

Saint Petersburg State University

Email: mariya.krzhizhanovskaya@spbu.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

F. Dal Boc

University of Liège

Email: krzhizhanovskaya@mail.ru

Laboratory of Mineralogy

Belgium, Liège

D. V. Pankin

Saint Petersburg State University

Email: mariya.krzhizhanovskaya@spbu.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

F. Hatert

University of Liège

Email: krzhizhanovskaya@mail.ru

Laboratory of Mineralogy

Belgium, Liège

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. BaBPO5 crystal morphology: group of crystals (a); single crystal for structural study (б).

Download (112KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Raman spectrum of BaBPO5 in the range 80–1280 cm-1 (a) and in the whole range (б).

Download (99KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The evolution of the geometrical characteristics of BaBPO5 from single crystal LT and HT SCXRD data: (a) the unit-cell parameters vs T, (б) Ba–O bond lengths vs T, (в) average bond lengths in PO4 and BO4 tetrahedra, B–O–B and O–B–O angles in the BO4 chain. LT data are shown by crosses, HT data – by rhombs. Standard deviations are smaller than the symbols’ size.

Download (179KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Room temperature crystal structure and the projection of the figure of thermal expansion coefficients of BaBSiO5 (this study) comparing to those of CeBSiO5 (Krzhizhanovskaya et al., 2023).

Download (180KB)
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».