Распределение ионов кобальта Cо2+ в монокристаллах шпинели Li0.5Ga2.5O4

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Показано распределение ионов Cо2+ по подрешеткам и структурно неэквивалентным положениям в элементарной ячейке кристаллической решетки монокристалла литийгаллиевой шпинели Li0.5Ga2.5O4. Такое распределение определяет свойства как моно-, так и нанокристаллических веществ. Распределение обеспечивается специальной технологией и проявляется в спектрах электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Распределение ионов Cо2+ зависит от структурной и магнитной неэквивалентности. Структурная и магнитная неэквивалентность формирует многоминимумность потенциала кристаллического поля в элементарных ячейках монокристаллов в местах расположения ионов Cо2+. Ионы Cо2+ находятся в комплексах с тетраэдрическим и октаэдрическим окружением ионами кислорода. Обнаружены и исследованы три типа спектров ЭПР ионов Cо2+. Спектр Co2+тетр обязан иону Co2+, замещающему ион Ga3+, находящийся в тетраэдрическом кислородном окружении. Спектр Co2+окт, находящегося в кристаллическом поле аксиальной симметрии, принадлежит иону Co2+, замещающему ион Li+, находящийся в октаэдрическом кислородном окружении. Спектр Co2+окт, находящегося в кристаллическом поле низкой симметрии, принадлежат иону Co2+, замещающему ион Ga3+, находящийся в октаэдрическом кислородном окружении. Ближайшее катионное окружение иона создает ромбические искажения за счет разной валентности Li+ и Ga3+. Исследование угловых зависимостей спектров показало наличие в элементарных ячейках по четыре и по 12 магнитно-неэквивалентных положений.

Full Text

Restricted Access

About the authors

В. В. Шаповалов

Организация “Математика для Америки”

Email: vashapovalov1@mail.ru
United States, Нью-Йорк

В. А. Шаповалов

ФГБНУ Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина

Author for correspondence.
Email: vashapovalov1@mail.ru
Russian Federation, ул. Розы Люксембург, 72, Донецк, 283048

Т. В. Дрокина

Институт физики им. Л.В. Киренского РАН

Email: vashapovalov1@mail.ru
Russian Federation, Академгородок, 50/12, Красноярск, 660036

А. М. Воротынов

Институт физики им. Л.В. Киренского РАН

Email: vashapovalov1@mail.ru
Russian Federation, Академгородок, 50/12, Красноярск, 660036

В. И. Вальков

ФГБНУ Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина

Email: vashapovalov1@mail.ru
Russian Federation, ул. Розы Люксембург, 72, Донецк, 283048

References

  1. Tsurkan V., Nidda H., Deisenhofer J., Lunkenheimer P., Loidl A. On the complexity of spinels: Magnetic, electronic, and polar ground states // Phys. Reports. 2021. V. 926. P. 1–86.
  2. Maigny L., Dupont M. Spinels: Occurrences, Physical Properties and Applications / Nova Sci. Publishers. Inc: New York. USA. 2013.
  3. Ganesh I.A. Review on Magnesium Aluminate (MgAl2O4) Spinel: Synthesis, Processing and Applications // Int. Mater. Rev. 2013. V. 58. P. 63–112.
  4. Zou Y., Gréaux S., Irifune T., Li B., Higo Y. Unusual Pressure Effect on the Shear Modulus in MgAl2O4 Spinel // J. Phys. Chem. C2013. V. 117. P. 24518–24526.
  5. Riesen H., Yildirim B. Persistent spectral hole-burning in diffuse reflection: application to nanocrystalline LiGa5O8: Co²⁺ // J. Phys. Chem. Lett. 2010. V. 1. P. 2380–2384.
  6. Yildirim B. Spectroscopic and Structural Investigations of Transition Metal Ion Doped Nanocrystalline LiGa5O8. http://handle.unsw.edu.au/1959.4/ 52631
  7. Sickafus K.E., Wills J.M. Spinel Coumpounds: Structure and Property Relations // J. Am. Ceram. Soc. 1999. V. 82. P. 3279–3292.
  8. Macfarlane R.M., Vial J.C. Photon-gated spectral hole burning in LiGa₅O₈: Co²⁺ // Phys. Rev. B. 1986. V. 34. P. 1–4.
  9. Malyarevich A.M., Yumashev K.V. Saturable absorbers based on tetrahedrally coordinated transition-metal ions in crystals // J. Appl. Spectr. 2009. V. 76. P. 1–43.
  10. Donegan J.F., Anderson F.G., Bergin F.J., Glynn T.J., Imbusch G.F. Optical and magnetic-circular-dichroism optically-detected-magnetic-resonance study of the Co²⁺ ion in LiGa₅O₈ // Phys. Rev. B. 1992. V. 45. P. 563–573.
  11. Ishihara T., Tanaka K., Hirao K., Soga N. Synthesis and optical properties of transparent LiGa₅O₈: Co²⁺ films by the sol-gel method // Bull. Chem. Soc. Jap. 1997. V. 70. P. 1347–1351.
  12. Lever A.B.P. Inorganic Electronic Spectroscopy. Elsevier Science Publisher: Amsterdam, 1984. P. 863.
  13. Riesen H., Badek K., Stevens-Kalceff M. Correlation between inhomogeneous width and crystallite size: ²E→ ⁴A₂ luminescence of Co(II) in nanocrystalline ZnAl₂O₄ // Chem. Phys. Lett. 2010. V. 501. P. 103–107.
  14. Burda C., Chen X.B., Narayanan R., El-Sayed M.A. Chemistry and properties of nanocrystals of different shapes // Chem. Rev. 2005. V. 105. P. 1025–1102.
  15. Talapin D.V., Lee J.S., Kovalenko M.V., Shevchenko E.V. Prospects of colloidal nanocrystals for electronic and optoelectronic applications // Chem. Rev. 2010. V. 110, P. 389–458.
  16. Träger F. Editorial: Optical properties of nanoparticles // Appl. Phys. B. 2001. V. 73. P. 291.
  17. Jaramillo T.F., Baeck S.H., Kleiman- Shwarsctein A., Choi K.S., Stucky G.D., McFarland E.W. Automated electrochemical synthesis and photoelectrochemical characterization of Zn₁₋ₓCoₓO thin films for solar hydrogen production // J. Combinat. Chem. 2005. V. 7. P. 264–271.
  18. Huppertz H., Hering S.A., Zvoriste C.E., Lauterbach S., Oeckler O., Riedel R., Kinski I. High-Pressure Synthesis, Electron Energy-Loss Spectroscopy Investigations, and Single Crystal Structure Determination of a Spinel-Type Gallium Oxonitride Ga₂.₇₉□₀.₂₁(O₃.₀₅N₀.₇₆□₀.₁₉)// Chem. Mater. 2009. V. 21. P. 2101–2107.
  19. Abragam A., Bleaney B. Electron Paramagnetic Resonance of Transition Ions. Clarendon press: Oxford, U.K. 1970. P. 928.
  20. Уайт Т.К. Экспериментальная техника в физике низких температур. М.: Физматгиз, 1961.
  21. Селезнев В.Н., Пухов И.К., Дрокин А.К, Шаповалов В.А. Магнитная кристаллографическая анизотропия монокристаллов литиевого и литий-цинкового ферритов с малыми добавками кобальта // ФТТ. 1970. Т. 12. Вып. 3. С. 885–891.
  22. Кожухарь А.Ю., Селезнев В.Н., Цинцадзе Г.А., Шаповалов В.А. Электронный парамагнитный резонанс ионов Co²⁺ в литий-галлиевой шпинели // ФТТ. 1973. Т. 15. Вып. 3. С. 706–709.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Unit cell of a single crystal of lithium gallium spinel Li₀.₅Ga₂.₅O₄. The immediate environment of cobalt ions Co2+ (positions A, B) are oxygen tetrahedra and octahedra.

Download (118KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Angular dependence of the positions of the EPR spectrum lines for Co²⁺ ions of axial symmetry in the {110} plane at T = 4.2K [22]. The letters o and m next to the number on the line indicate the octahedral and tetrahedral positions of Co²⁺, respectively.

Download (134KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. The {110} plane of a regular octahedron.

Download (87KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Dependence of the crystal field potential E on the distance R. The minima are located along the axes of the [111] type. Tetrahedral (t) and octahedral (o) sites with Co²⁺ ions in the unit cell are shown.

Download (162KB)
Indexing metadata