«ОКСОФТОРИДЫ ИТТРИЯ И РЗЭ: СИНТЕЗ, ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ОПТИКА Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук ...»

СТАВРОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Уклеина Ирина Юрьевна

ОКСОФТОРИДЫ ИТТРИЯ И РЗЭ: СИНТЕЗ,

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ И ОПТИКА

Диссертация на соискание ученой степени кандидата химических наук

02.00.21 – химия твердого тела

Научные руководители:

доктор химических наук, профессор Голота Анатолий Федорович кандидат химических наук, доцент Гончаров Владимир Ильич СТАВРОПОЛЬ 2005

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

ОКСОФТОРИДЫ ИТТРИЯ И РЗЭ: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И

СВОЙСТВА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)……………………………………... 1.1. Методы получения оксофторидов редкоземельных элементов и иттрия……………

1.1.1. Синтез фаз в системе LnF3 – Ln2O3…………………….. 1.1.2. Пирогидролиз трифторидов РЗЭ………………………. 1.1.3. Другие способы получения оксофторидов……………. 1.2. Физико-химические свойства оксофторидов редкоземельных элементов и иттрия……………………………………………… 1.2.1. Кристаллохимия оксофторидов РЗЭ…………………... 1.2.2. Полиморфизм в оксофторидах РЗЭ…………………… 1.2.3. Химические свойства LnOF……………………………. 1.3. Системы, включающие оксофториды РЗЭ

1.4. Электронная структура и спектральные свойства оксофторидов РЗЭ………………………………………………. ГЛАВА

ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, МЕТОДИКИ СИНТЕЗА И МЕТОДЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ…………………………………………………………... 2.1. Исходные вещества……………………………………………... 2.2. Методы синтеза…………………………………………………. 2.2.1. Синтез оксофторидных полупродуктов РЗЭ…………. 2.2.2. Методы получения материалов для тонкослойной оптики…………………………………………………… 2.3. Методы физико-химического анализа………………………… 2.3.1. Рентгенофазовый анализ………………………………. 2.3.2. Дифференциально-термический анализ……………… 2.3.3. Методы электронно-микроскопического исследования……………………………………………. 2.4. Методы измерения спектральных и люминесцентных характеристик…………………………………………………… 2.4.1. Спектры диффузного отражения……………………… 2.4.2. ИК-спектроскопия…………………………………….... 2.4.3. Измерение суммарных потерь на поглощение……….. 2.4.4. Определение люминесцентных характеристик………. ГЛАВА

СИНТЕЗ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА ОКСОФТОРИДОВ

ИТТРИЯ И РЗЭ ……………………………………………………………… 3.1. Термическое поведение фторидов и оксидов иттрия и РЗЭ…. 3.2. Взаимодействие фторидов иттрия и некоторых РЗЭ с их оксидами…………………………………………………………. 3.3. Стабилизация кубических форм оксофторидов………………. 3.4. Разработка методов получения оксофторидов РЗЭ стехиометрического состава…………………………………… КРАТКИЕ ВЫВОДЫ………………………………………………………... ГЛАВА

СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ОКСОФТОРИДОВ ИТТРИЯ И ГАДОЛИНИЯ, АКТИВИРОВАННЫХ

ЕВРОПИЕМ И ТЕРБИЕМ…………………………………………………... 4.1. Приготовление шихты для твердофазного синтеза оксофторидов РЗЭ и иттрия……………………………………. 4.2. Приготовление шихты активированных оксофторидов РЗЭ и иттрия……………………………………………………………. Люминесценция Eu3+ в оксофторидах иттрия………………… 4.3.

Люминесценция Tb3+ в оксофторидах гадолиния…………….. 4.4.

4.5. Перспективы люминесцентной эффективности материалов на основе оксофторидов РЗЭ и иттрия………………………… КРАТКИЕ ВЫВОДЫ………………………………………………………... ГЛАВА ТОНКОСЛОЙНАЯ ОПТИКА ОКСОФТОРИДОВ РЗЭ И ИТТРИЯ……... 5.1. Общий подход к проблеме……………………………………... 5.2. Получение тонкослойных оптических покрытий…………….. 5.3. Методы исследования тонких оптических пленок…………… 5.4. Исследование оптических характеристик оксофторидов РЗЭ и иттрия………………………………………………………….. КРАТКИЕ ВЫВОДЫ………………………………………………………... ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Область оксофторидов переходных металлов охватывает большое число объектов, начиная от «частично ковалентных»

оксидов металлов и кончая достаточно недавно исследованными «в основном ионными» фторидами металлов. Известно, что в этой области оксофторидов можно наблюдать свойства, промежуточные между двумя пределами характера связи. Это обстоятельство сильно влияет на физические и химические свойства этих материалов. Путем соответствующего смешения модифицировать электрические, оптические и магнитные свойства химической системы.

Представляется логичным, что фтор может замещать кислород в кислородной матрице (и аналогично, кислород может замещать фтор в кристаллической структуре фторида) с образованием оксофторидных соединений. Однако при таком замещении должно происходить одновременное изменение заряда катионов (компенсация заряда) для поддержания общей электрической нейтральности.

Потребности квантовой, промышленной и бытовой электроники, преобразователями рентгеновского, ультрафиолетового или инфракрасного излучения в видимое, стимулировали работы по синтезу и исследованию новых люминесцирующих материалов, пригодных для использования в ОКГ, цветном и черно-белом телевидении, усилителях изображений, дозиметров и т.д.

Поиск люминесцентных материалов, перспективных для использования в источниках света, устройствах отображения информации и других приборах остается одной из актуальных задач химиков, физиков и технологов в России и за рубежом. Сопоставление многих материалов, отличающихся составом матрицы, показало, что по сравнению с сульфидами цинка и кадмия, щелочными галогенидами, некоторыми оксосульфидами и оксогалогенидами, люминофоры на основе оксофторидных соединений обладают пониженным выходом люминесценции при высокоэнергетическом возбуждении (катодном, гамма, рентгеновском и других).

Наибольшая часть промышленных люминофоров представляет собой активированные кристаллофосфоры. Среди них следует выделить люминофоры, активированные РЗЭ, которые характеризуются (за обусловленными электронными переходами преимущественно между уровнями 4f-оболочки. Однако число эффективных люминесцентных матриц ограничено, зачастую они гидролитически неустойчивы, синтез их связан с большими технологическими затруднениями. В связи с этим поиск и исследование новых оксофторидных люминесцентных матриц является своевременным и актуальным.

Анализ данных по материалам для тонкослойной оптики за рубежом и России показывает, что ассортимент предлагаемых продуктов весьма широк, как по веществам, так и по виду выпускаемых форм (таблетки, мишени, гранулы, зерна, плавы и т. д.). Широкое распространение в качестве материалов для тонкослойной оптики получили фториды металлов.

Необычные оптические свойства фторидов — это, главным образом, результат специфических свойств фтора: высокая электроотрицательность, малая поляризуемость и слабая ковалентность металл–фтор связей. Ими объясняется низкий показатель преломления, широкая область пропускания и сдвиг 4f- уровней на более низкие длины волн. Оптические свойства фторидов используются для превращения энергии, передачи сигналов, дисплеях, информационных запоминающих устройствах, регистрации жестких излучений, в сложных лазерных системах, в том числе с перестраиваемой частотой генерации и др.

В этом аспекте представляет интерес изучение химии образования оксофторидов РЗЭ и разработка на базе этих исследований методов получения материалов для вакуумного напыления.

В соответствии с этим также актуальным является поиск новых фторидных фаз, которые могли бы служить основой для получения новых материалов для оптической техники. В этом плане перспективными могут быть соединения, образующиеся при высокотемпературном взаимодействии оксидов и фторидов редкоземельных металлов при определенных условиях.

Сложные индивидуальные соединения, образующиеся в этих системах, и продукты гетеровалентного замещения не только открывают новую страницу в оптическом материаловедении, но и чрезвычайно интересны с научной точки зрения. Их изучение может явиться существенным вкладом в физику и химию твердого тела, в химию неорганических фторидов.

В этом аспекте также представляет интерес изучение химии образования оксофторидов металлов, рассмотрение кристаллической структуры выделенных фаз и разработка на базе этих исследований методов получения материалов для тонкослойной оптики.

Цель работы: исследование фазовых составляющих в системе оксид – фторид РЗЭ и иттрия, разработка оптимальных методов получения оксофторидов РЗЭ заданного состава, исследование люминесцентных и оптических материалов на их основе.

Для достижения этой цели были использованы физико-химический анализ систем, препаративные методы синтеза, люминесцентные и оптические методы, методы рентгеноструктурного, рентгенофазового и термического анализа, ИК-спектроскопия. При этом решались следующие задачи исследования:

изучить термическое поведение фторидов и оксидов некоторых РЗЭ и исследовать зависимость фазового состава от соотношений компонентов в системе (Y)LnF3 – (Y)Ln2O3 и на основании этого уточнить и построить фазовые диаграммы состояния в субсолидусной области;

разработать методы получения оксофторидов иттрия и РЗЭ не требующих длительного времени и дорогостоящих конструкционных материалов, обеспечивающих синтез оксофторидов заданного состава и кристаллической структуры;

оксофторидов РЗЭ и иттрия при изоморфных гетеровалентных замещениях с образованием гомогенных твердых растворов;

оценить сравнительную эффективность использования оксофторидов РЗЭ и иттрия в качестве матриц для люминофоров;

исследовать спектральные свойства некоторых оксофторидов РЗЭ и иттрия, поведение их при испарении в вакууме и при формировании тонкопленочных оптических покрытий на их основе.

Научная новизна:

установлена зависимость фазового состава от температуры и соотношения компонентов в системе (Y)LnF3 – (Y)Ln2O3, уточнены фазовые диаграммы LnF3–Ln2O3 (Ln= Y; Nd; Eu) на воздухе при 703 и впервые построены фазовые диаграммы в субсолидусной области для систем YF3–Y2O3 и GdF3–Gd2O3 при 1473К, указаны области существования оксофторидных фаз;

идентифицированы оксофторидные фазы четырех структурных типов:

ромбоэдрического, тетрагонального, тригонального и ромбического.

Показано, что ромбоэдрические фазы имеют стехиометрический состав и отвечают формуле LnOF;

нестехиометричных оксофторидах состава YOF и YnOn-1Fn+2 и люминесценция Tb3+ в GdOF и GdnOn-1Fn+2;

выявлена корреляция между спектрами диффузного отражения и положением полос возбуждения фотолюминесценции оксофторидов иттрия, активированных европием, которые характерны для всех составов, но отличаются лишь интенсивностями;

впервые методами электронографического анализа показано, что при резистивном вакуумном испарении оксофторидов РЗЭ и иттрия происходит преимущественное испарение фторида РЗЭ, в остатке обнаруживается оксид, что приводит к отклонению состава испаряемого материала и градиенту состава по толщине слоя.

Практическая значимость:

разработаны методы получения оксофторидов иттрия и РЗЭ не требующие длительного времени и дорогостоящих конструкционных материалов, обеспечивающие синтез оксофторидов заданного состава и кристаллической структуры;

разработаны методы расчета шихты люминесцентных составов для стехиометричных и нестехиометричных сверхструктурных оксофторидов состава ЭOF и ЭnOn-1Fn+2;

установлено влияние анионного состава на люминесценцию оксофторидов иттрия и гадолиния. Показано, что соединения состава YOxFy и LnOxFy могут служить эффективными матрицами для таких активаторов, как Eu3+ и Tb3+;

получены оптические тонкие пленки оксофторидов, обладающие влагостойкостью 28 суток без изменения оптических характеристик.

Такие оптические конденсаты с успехом заменяют покрытия из весьма токсичного фторида свинца (влагостойкость 14 суток, n=1,78);

материалы могут быть использованы в паре с сульфидом цинка при изготовлении отрезающих узкополосных фильтров на длину волны 1,02 мкм;

создана научно-экспериментальная база получения новых материалов для люминофоров и тонкослойной оптики.

Положения выносимые на защиту:

результаты экспериментальных работ по исследованию термического поведения фторидов и оксидов некоторых РЗЭ и иттрия и влияние наличия гидратированной воды в кристаллической решетке EuF3nH2O на процесс пирогидролиза;

фазовые диаграммы и зависимость фазового состава от соотношений компонентов в системе (Y)LnF3 – (Y)Ln2O3, обеспечивающих синтез оксофторидов заданного состава и кристаллической структуры;

корреляция между спектрами диффузного отражения и положением активированных европием и оксофторидов гадолиния, активированных люминесценцию оксофторидов иттрия и гадолиния, перспектива люминофоров;

оксофторидов РЗЭ;

результаты исследования оптических свойств некоторых оксофторидов РЗЭ и иттрия, поведение их при испарении и конденсации в вакууме.

Апробация работы.

Основные результаты исследований были доложены на Всероссийской конференции «Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение.» (Нижний Новгород, 2004); на Х семинаре-совещании «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодар, 2004); на Всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы – 2004» (Екатеринбург, 2004); на 49-той научно-методической конференции «Университетская наука – региону» (Ставрополь, 2004); на первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2005, работа удостоена места в конкурсе работ аспирантов); на 50-той юбилейной научно-методической конференции «Университетская наука – региону»

(Ставрополь, 2005); на семинаре-совещании «Оптика и спектроскопия конденсированных сред» (Краснодар, 2005).

Публикации.

Материалы диссертационной работы опубликованы в 6 работах, в том числе 1 статье и 5 тезисах докладов.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа изложена на 157 страницах машинописного текста, иллюстрируется 58 рисунками и 17 таблицами, состоит из введения, глав, выводов и списка цитируемой литературы из 117 наименований.

ОКСОФТОРИДЫ ИТТРИЯ И РЗЭ: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ

И СВОЙСТВА (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

Область оксофторидов переходных металлов охватывает большое число объектов, начиная от «частично ковалентных» оксидов металлов и кончая относительно недавно исследованными «в основном ионными» фторидами металлов. Замечено, что в этой области оксофторидов можно наблюдать свойства, промежуточные между двумя пределами характера связи. Это обстоятельство будет сильно влиять на физические и химические свойства этих оксофторидных материалов. Путем соответствующего смешения ионного и ковалентного типов связи в данной структуре можно модифицировать электрические, оптические и магнитные свойства химической системы.

Представляется логичным, что фтор может замещать кислород в кислородной матрице (и аналогично, кислород может замещать фтор в кристаллической структуре фторида) с образованием оксофторидных соединений. Однако при таком замещении должно происходить одновременное изменение заряда катионов (компенсация заряда) для поддержания общей электрической нейтральности.

Вопросы о препаративном получении LnOF включают рассмотрение прямой реакции в твердом состоянии (по типу керамики) между оксидами и фторидами металлов. Однако в некоторых случаях используется другая, более сложная техника.

1.1. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСОФТОРИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ И ИТТРИЯ

При синтезе оксофторидов РЗЭ в настоящее время используют, в основном, два способа: твердофазное взаимодействие в вакууме или инертной атмосфере по схеме:

а также реакцию неполного пирогидролиза трифторидов:

Кроме того, известны и другие пути получения LnOF, к которым следует отнести разложение фторкарбонатов LnFCO3 при нагревании и частичное фторирование Ln2O3.

Первые сообщения о синтезе оксофторидов редкоземельных элементов в результате твердофазного взаимодействия эквимолярной смеси LnF3 и Ln2O при 1173 К в вакууме с использованием платинового тигля приведены в [1], где показано, что LnOF кристаллизуется в кубической структуре типа флюорита и образует изоструктурные твердые растворы с трифторидом лантана в широкой области составов (до 45 мол.% LaF3). Авторы [1-6] получили кубические оксофториды CeOF, YOF, NdOF, SmOF, из которых оксофторид иттрия [3-6] выделен лишь при закаливании в присутствии YF от 1473 К в холодной воде, а оксофториды празеодима, неодима, самария [8] взаимодействием смеси LnF3 и Ln2O3 в платиновой лодочке в токе сухого азота при 1323 К. Спонтанное охлаждение оксофторида иттрия с добавкой трифторида приводило к искажению кубической структуры до тетрагональной, на основании чего предполагалось, что кубическая модификация является метастабильной формой, устойчивой при обычных условиях тетрагональной модификации [3-6]. Нагреванием смесей LnF3 – Ln2O3 (Ln – Y, La, Pr,Nd, Sm, Gd, Dy, Ho, Er, Yb) в платиновом тигле, помещенном в запаянную кварцевую ампулу, при 1273-1373 К [7] или при 1073 К [8], получены ромбоэдрические, а в случае лантана и неодима – кубические оксофториды в мелкокристаллическом состоянии.

За несколько часов в вакууме при 1073-1473 К смесь LnF3 – Ln2O3 (Ln – Y, La) реагировала с образованием ромбоэдрических фаз LaOF и YOF [9], а в запаянной платиновой ампуле получены оксофторид скандия моноклинной структуры [61] и ромбоэдрический оксофторид гадолиния [10]. В [11-13] наряду со стехиометрическим оксофторидом получены фазы состава CeO1,04F0,92 и CeO1,15F0,7.

Для получения ромбоэдрического YOF авторы [14-18] нагревали эквимолярную смесь YF3 и Y2O3 в вакууме в запаянной платиновой ампуле (1423 К и 1623 К), после чего медленно в течение двух недель охлаждали образцы до комнатной температуры. Низкотемпературный отжиг смеси (ниже 1273 К) приводил к образованию упорядоченных стехиометрических орторомбическую элементарную ячейку, базирующуюся на флюоритовом типе [17]. В системе YbF3 – Yb2O3, согласно [18], существуют упорядоченные оксофторидные фазы иттербия, являющиеся сверхструктурными фазами (по сравнению с флюоритным типом) идеализированного состава (Yb6O7F4)2.

Наиболее подробные исследования фазовых составляющих в системе LnF3 – Ln2O3 предприняты в [19-21]. Образцы заданного состава редкоземельных элементов в вакууме или инертной атмосфере в интервале температур 1273-1473 К в течение 5-10 часов и последующем медленным кристаллизующихся в области составов LnOxF3-2x (0,7 х 1). Показано, что ромбоэдрическим фазам соответствует стехиометрический состав LnOF [19или область гомогенности в пределах 0,93 х 1 [19]. Тетрагональные фазы [19] имеют широкие области существования, а в [20, 21] для большинства редкоземельных элементов установлен точный состав Ln4O3F6.

Результаты исследований [19] представляют интерес в связи с тем, что авторами впервые приведены в соответствие тип структуры и состав фаз.

Было показано также, что ромбоэдрические фазы при нагревании выше 773 К претерпевают обратимое полиморфное превращение «ромбоэдр-куб», связанное с разупорядочением – упорядочением атомов кислорода и фтора.

Для этого перехода характерно образование кубических фаз с большими молекулярными объемами по сравнению с ромбоэдрическими, а также наличие температурного гистерезиса (около 200) при переходе «кубромбоэдр».

Авторы [20-21] не нашли, в отличие от [19], областей нестехиометрии у ромбоэдрических фаз, а кубическую фазу выделили лишь в системе SmF3 – Sm2O3 при соотношении 1:1 или 1:2 закаливанием продуктов реакции от 1473 К, считая таким образом, что как ромбоэдрическая (1:1), так и тетрагональная (1:2) фазы переходят в кубическую, образуя законченный твердый раствор SmOF – Sm4O3F6 в высокотемпературной области.

Исследование процесса пирогидролиза трифторидов редкоземельных элементов впервые было проведено Захариасеном [22], который получил тетрагональные и ромбоэдрические фазы оксофторидов лантана и иттрия. На основании рентгеновских данных Захариасен заключил, что обе фазы являются сверхструктурными, основанными на флюоритовом типе.

Ромбоэдрическая фаза имеет стехиометрический состав LnOF, тетрагональная обладает широкой областью существования и выражается формулой LnOxF3-2x. В случае иттрия тетрагональная фаза появляется при нагревании трифторида иттрия в течении 40 часов при 773 К, тогда как трифторид лантана гидролизуется с образованием тетрагонального оксофторида лишь при температуре около 1173 К. Переход тетрагональной фазы в ромбоэдрическую происходит в течение 10-ти часового нагревания трифторида лантана при 1173 К и спустя 96 часов при 773 К в случае YF3.

Кубические оксофториды лантана и иттрия Захариасену [22] получить не удалось, и он высказал сомнение по поводу их существования, поскольку на рентгенограммах даже закаленных от высокой температуры образцов линии «сверхструктуры» полностью исчезали. Это предположение оказало влияние на работы других авторов [8, 15-27] и, по-видимому, явилось одной из причин, задержавшей обнаружение ромбоэдрическо-кубического полиморфного превращения в оксофторидах РЗЭ [19].

В [23-26] при нагревании фторидов LnF3 (Ln – La, Nd, Sm, Eu, Gd) до 1073 К в токе влажного воздуха наблюдается ступенчатый гидролиз с образованием ромбоэдрических оксофторидов LnOF, найденный Захариасеном. Гидролиз ускорялся при использовании смеси воздуха и азота, насыщенной водой при комнатной температуре. Оксофториды церия, празеодима и тербия получены лишь во влажном аммиаке или водороде, так как на воздухе согласно [23-25] всегда присутствовали примеси высших оксидов, например, CeO2 и PrOx.

В результате пирогидролиза трифторидов лантаноидов при 1073 К от лантана до лютеция получены тетрагональные, кубические и ромбоэдрические оксофториды [8-27] аналогично [22]. Ромбоэдрические фазы имели стехиометрический состав LnOF, а тетрагональные представляли собой фазы переменного состава LnOxF3-2x, однако зависимость параметров элементарных ячеек от состава не установлена [27]. Дальнейшее нагревание тетрагональных фаз приводило к появлению кубической фазы с очень узкой областью гомогенности, так, что даже небольшие отклонения состава продукта сопровождались превращением кубической фазы в ромбоэдрическую. Показано также, что гидролиз LnF3 (Ln – от La до Gd) протекает при 1073 К с образованием единственной фазы LnOF, а гидролиз фторидов более тяжелых РЗЭ (Dy, Ho, Er, Yb) в этих условиях происходит с большей скоростью и наряду с LnOF всегда присутствует фаза оксида Ln2O3.

Однако имеются другие сведения [28] о том, что нагревание на воздухе до 1173 К даже гидратированных фторидов лантаноидов не приводило к завершению процесса гидролиза.

Как показано Н.В. Барышниковым с соавторами [29], дегидратация YF30,5H2O заканчивается при 720-770 К и практически не сопровождается пирогидролизом, который протекает лишь при температуре выше 770 К.

Однако и при 970 К концентрация кислорода во фториде не велика (до 0,3%).

Эти данные несколько противоречат результатам Е.И. Смагиной с соавторами [30], которые отметили протекание пирогидролиза YF3 и LaF3xH2O при температуре выше 570 К, правда, при несколько большем времени контакта фторидов с влажными газами.

Замещение фторид-ионов гидроксильными группами приводит к снижению диффузионной подвижности фтора. Энергия активации диффузии фтора при 433 К в LaF3 и LaOHF равна соответственно 48 и 68 кДж/моль.

Коэффициент диффузии OH--ионов в этих соединениях заметно выше, а энергия активации диффузии OH--ионов – существенно ниже, чем для фтора.

Эти данные имеют принципиальное значение для механизма пирогидролиза фторидов, хотя неясно, для сколь широкого круга фторидов они справедливы [31].

Вообще LaF3 отличается от других фторидов довольно высокой диффузионной подвижностью ионов фтора. Реакция идет при температуре около 660 К, выше 670 К.

Высокотемпературный гидролиз фторидов скандия, лантана, европия, иттрия и иттриевой подгруппы изучался в [32-36] с помощью термогравиметрического анализа. Авторы [32] отмечают, что гидролиз ScF начинается при 573 К и сопровождается убылью массы образца. На кривой ТГ имеются два горизонтальных участка, связанных с образованием ScOF (1213 К) и Sc2O3 (1323 К). Пирогидролиз трифторида скандия имел место и в токе сухого гелия, очевидно, как считают авторы, за счет остаточной влаги в образце или печном пространстве. Скорость пирогидролиза ScF3 становится заметной при температуре выше 770 К [37].

В [33] в результате пирогидролиза были получены тетрагональные и ромбоэдрические оксофториды лантана и иттрия. Результаты исследований фазовых превращений при пирогидролизе трифторида европия приведены в [34]. На основании данных термогравиметрического, рентгенографического и химического методов анализа были обнаружены оксофториды европия тригональной (Eu2OF4), тетрагональной (Eu4O3F6) и кубической EuOF структур. Показано, что пирогидролиз трифторида европия с образованием этих фаз происходит в интервале 773-1313 К, а повышение температуры сопровождается более глубоким гидролизом с образованием оксида европия.

Процесс представлен следующими превращениями:

Физико-химическое изучение пирогидролиза фторидов РЗЭ иттриевой подгруппы приведено в [35,36]. С использованием термогравиметрии, рентгенофазового анализа, ИК-спектроскопии, кристаллооптики и химического анализа в [35] определены условия получения оксофторидов тетрагональной и ромбоэдрической модификаций. Показано, что тетрагональные оксофториды переходят в кубические и этот переход в зависимости от условий может иметь как обратимый, так и необратимый характер. Взаимодействие трифторида неодима с парами воды протекает в две стадии с образованием NdOF и Nd2O3 при температурах 873 К и 1123 К, соответственно. Изучена кинетика обеих стадий пирогидролиза в интервале 873-1373 К при парциальном давлении паров воды 10-100 кПа, рассчитаны константы скоростей и оценены энергии активации этих стадий. Однако авторы не отмечают ни состав оксофторида, ни его структуру [36].

1.1.3. Другие способы получения оксофторидов При термическом разложении фторкарбонатов редкоземельных элементов LnFCO3nH2O также образуются оксофториды [38-44]. При начальном этапе нагревания фторкарбонатов РЗЭ происходит дегидратация LnFCO3nH2O. Дальнейшее повышение температуры (673 К) приводит к разложению его с образованием оксофторидов [38, 39]:

В работах [40,41] приведены результаты изучения термической устойчивости ди- и тетрагидратов фторкарбонатов иттрия, диспрозия, эрбия и показано, что оптимальными условиями для синтеза ромбоэдрических оксофторидов стехиометрического состава является прокаливание фторкарбоната на воздухе до 773 К с последующим отжигом при 1073 К в течение 4-6 часов. В вышеуказанных работах приведены также параметры элементарной ячейки ромбоэдрических оксофторидов иттрия, диспрозия и эрбия.

При термическом разложении (773-823 К ) природных фторкарбонатов РЗЭ бастнезита и иттросинхизита авторы [42] получили кубические фазы оксофторидов, устойчивые до 1073-1173 К. Прокаливание минералов выше 1073 К приводило к образованию оксидов Ln2O3. В [43] оксофториды лантана, церия, неодима и иттрия получены в результате разложения фторкарбонатов, а также твердофазного взаимодействия оксидов и фторидов.

Показано, что оксофториды, полученные различными способами идентичны, однако степень совершенства кристаллической решетки образцов в системе LnF3 – Ln2O3 лучше. До 873 К оксофториды имели плохо сформированную тетрагональную структуру, а при 973 К происходило образование устойчивой ромбоэдрической модификации. Данные о составе фаз авторы не приводят. Методы разложения фторкарбонатов редкоземельных элементов использовали [44] для синтеза кубического GdOF и ромбоэдрического NdOF.

Марковский Л.Я. с сотрудниками [33,45,46] проводили изучение химизма процессов, происходящих при синтезе оксофторидов в результате взаимодействия оксидов РЗЭ с NH4F по реакции:

В зависимости от соотношения взятых количеств оксида и фторида аммония образуются различные продукты. Так, при соотношениях Y2О3 + 2NH4F; Y2O3 + 4NH4F и Y2O3 + 6NH4F при 573 К получены соответственно YOFтетраг. + YOFромб. + YF3 и YF3. Независимо от соотношения исходных компонентов реакция протекает в две стадии. Первая стадия происходит идентично во всех случаях и заключается в образовании аммиакатов состава LnF3 1,5 NH4F. Аммиакат устойчив до 613 К. По реакции (7) при 673-773 К в течение 30 минут образуются оксофториды с некоторым избытком фтора, а в течение 60 минут при 1273 К получены ромбоэдрические оксофториды.

В литературе имеются данные по твердофазному взаимодействию фторидов РЗЭ с некоторыми оксидами металлов [57]. Смеси фторидов и оксидов РЗЭ при прокаливании образуют оксофториды и смешанные оксофториды. При взаимодействии трифторида церия с оксидами щелочноземельных металлов были получены соответствующие твердые растворы.

Химия фторидно-оксидного взаимодействия РЗЭ в среде расплавленных фтористых солей изучена мало. Граймс и др. [48] приводят данные по осаждению церия из расплавленных смесей фторидов щелочноземельных металлов на оксиде кальция. К.Г. Мякишев и В.Р. Клокман [49] отметили, что при совместной кристаллизации фторида церия с фторидом кальция из расплава CeF3 – CaF2 введение оксида кальция в расплав вызывает резкое увеличение коэффициента кристаллизации оксофторида церия.

В работе [50] было изучено взаимодействие трифторидов лантана и церия с оксидами кальция и лантана в среде расплавленной эвтектической смеси LiF – NaF при 8000С. Реакция фторидов лантана и церия с СаО является обменной и протекает через стадию образования оксофторидов LaOF и CeOF:

Образование оксофторида лантана и смешанного оксофторида лантана и церия наблюдается при введении оксида лантана в расплав, содержащий трифториды лантана или церия. Растворимость оксида лантана в расплавленных фторидах была подробно изучена в работе [51].

При анализе фазовых соотношений в системе Ln2O3 – PbF2 [47,52] установлено образование фаз LnOF и PbО (Ln от Sm до Lu и Y) и LnOF (Ln – La, Ce, Pr, Nd). Системы Ln2O3 – PbF2 являются составной частью многокомпонентной шихты, используемой для синтеза монокристаллов оксофторидов редкоземельных элементов, при этом необходим подбор соответствующих условий и состава исходной шихты. В частности, из расплава Ln2O3 + Al2O3 во фториде свинца в смеси с оксидом свинца (II), охлажденного медленно от 1553 К до 1173 К, и отмытого в азотной кислоте, визуально с помощью поляризационного микроскопа отобраны кристаллы (псевдокубы) оксофторидов РЗЭ размером до 1 мм [53].

Взаимодействие оксидов самария и лантана с расплавами фторида лития при 9000С может происходить, согласно [54], с образованием оксофторидов по реакции:

Реакция протекает при постоянном значении рН в системе. LnOF растворим в расплаве при этих условиях, а с ростом рН выпадает в осадок.

Известно также, что оксофториды РЗЭ можно получить электролизом из расплава фторидов щелочных и щелочноземельных элементов в присутствии фторидов лантаноидов и иттрия. Электролиз проводят при 1173-1273 К в атмосфере кислорода на графитовых электродах [55].

1.2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОКСОФТОРИДОВ

РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИТТРИЯ

Несмотря на широкую известность оксофторидов РЗЭ, свойства их изучены недостаточно. Причиной тому, очевидно, послужило отсутствие в течение длительного времени единого мнения о составе этих соединений.

Наличие близких по размерам ионов фтора и кислорода создает широкие возможности для взаимного замещения в анионной подрешетке оксофторидов и варьирования состава, что, в свою очередь, осложняет получение однозначных сведений о свойствах. Оптические свойства практически вообще не изучались. Поэтому все исследования оксофторидов сводились, в конечном счете, к выяснению фазовых соотношений и их структуры.

1.2.1. Кристаллохимия оксофторидов РЗЭ Структуры фаз в системе LnOF – LnF3 по мнению авторов [63-66] ведут свое происхождение от структур краевых соединений LnF3, LnOF и могут рассматриваться в качестве их дефектных вариантов. Возникновение дефектов происходит в результате гетеровалентного замещения некоторой части анионов, при котором изменение состава может сопровождаться либо внедрением дополнительных атомов в исходную структуру, либо образованием вакансий. Так как для внедрения дополнительных ионов необходимо наличие в структуре крупных «пустот», то образование промежуточных фаз на основе модификаций краевых соединений со структурами с плотнейшей упаковкой анионов может осуществляться по вакансионному механизму. Критерием, определяющим кристаллизацию фаз под давлением, служат объемные соотношения, и сжатие (при Т = const) вызывают только те превращения, которые сопровождаются уменьшением объема, учитывая это, образование промежуточных фаз на основе LnOF представляется как внедрение дополнительных ионов, а на основе LnF3, как процесс формирования анионных вакансий. Установлено, что изменение состава промежуточной фазы на основе данного структурного типа с ростом давления всегда происходит в сторону увеличения содержания фтора, в структуре фазы на основе LnOF растет число дополнительных анионов, а в структуре фаз на основе LnF3 – уменьшается количество вакантных анионных позиций. После появления новой плотной фазы любого состава максимальным числом дополнительных анионов. Если особенности формирования области гомогенности происходит расширение двухфазной области, показано, что в системах LnOF – LnF3 это условие можно достичь на зафиксированы кубические твердые растворы до 80 мол.% LnF3, для YF3 – YOF – 60 мол.% YF3. Ромбическая модификация LnOF (структурный тип PbCl2) исключает образование фаз на своей основе с более высоким содержанием трифторида лантана. Поэтому, кристаллизация ромбических модификаций вызывает появление на диаграммах состояния широких двухфазных областей, что является существенным для выбора условий (р, Т) направленного синтеза новых фаз промежуточного состава. Объемные соотношения определяют и само существование LaOF, являющегося тоже промежуточной фазой.

кристаллохимические характеристики оксофторидов редкоземельных элементов. Следует отметить, что первое подробное кристаллохимическое изучение оксофторидов РЗЭ принадлежит Захариасену [22], результаты работы которого легли в основу всех дальнейших исследований.

редкоземельных элементов существуют в трех структурных модификациях – кубической, ромбоэдрической и тетрагональной [19,21,56,57].

Ромбоэдрические фазы согласно [22] являются «сверхструктурными», производными от флюорита и их образование связывается с упорядочением кислорода и фтора по местам анионов кубической (флюоритный тип) решетки. Ромбоэдрическая ячейка отвечает стехиометрическому составу, содержит две формульные единицы LnOF и характеризуется параметром а и углом от 33,05 до 33,350 в зависимости от номера РЗЭ. Для неискаженной ромбоэдрической элементарных ячеек, видно, что последняя из них представляет собой искаженный куб, вытянутый вдоль главной его диагонали, молекулярные объемы ромбоэдрических оксофторидов уменьшаются с увеличением атомного номера РЗЭ, демонстрируя известное лантаноидное сжатие, в изотипных соединениях редкоземельных элементов.

Тетрагональные фазы, найденные Захариасеном [22], стабилизируются в присутствии избытка фтора сверх состава LnOF и обладают широкими областями гомогенности. Элементарная ячейка содержит две формульные единицы и имеет чередующиеся слои O и F, перпендикулярно оси Х.

Тетрагональная, как и ромбоэдрическая структура, базируется на типе флюорита. Более поздними исследованиями [34] было показано, что широкие области гомогенности тетрагональных оксофторидов реализуются лишь для некоторых РЗЭ. Для большинства из них тетрагональные оксофториды имеют точный состав Ln4O3F6, являющийся граничным из области гомогенности (при х = 0,75), и установленный в работах [22, 56]. Кроме того, элементарная ячейка тетрагональных фаз содержит не две, как считают авторы [22], а четыре формульных единицы [20] и характеризуется соотношением с/а = 1, причем с ростом х фаз LnOxF3-2x для данного элемента параметр а уменьшается, а параметр с – увеличивается. Согласно [10], фазы в системе GdOF - BiOF представляются как квадратичные при а/с = 1, а их рентгенограммы идентичны. Бацанова и другие [56,57] описывают тетрагональные фазы оксофторидов как твердые растворы LnF3 в LnOF, считая, что избыточные ионы фтора, по сравнению с тем количеством, которое допускает структура типа флюорита, занимают октаэдрические пустоты.

О кубических оксофторидах LnOF сообщалось в [1, 8, 19-21, 23, 34] и считается, что при комнатной температуре эти фазы метастабильны, они могут быть получены для элементов от лантана до европия быстрым охлаждением продуктов взаимодействия LnF3 и Ln2O3. Кубические фазы построены по типу флюорита и характеризуются статистическим расположением кислорода и фтора по местам анионов в кристаллической решетке этого типа. Как считают авторы [55, 56] при комнатной температуре такую структуру стабилизируют дефекты, а именно, внедренные в вакантные пустоты ионы фтора. Однако по поводу концентрационных отношений мнения авторов расходятся. Так, оксофториды церия и празеодима [12] имели дефицит металла, а кубические фазы оксофторида самария [20] существовали в области SmOF – Sm4O3F6. Для неодима, гадолиния и эрбия [19] приведены фазы составов от Ln0,9F1,2 до Ln1,1F0,8, в том числе и стехиометрического состава сообщалось в [4, 5, 44]. Захариасену [22] не удалось получить закаливанием кубические оксофториды иттрия и лантана также, как они и не были получены в [20] для элементов от европия до иттербия. Кубические, ромбоэдрические и тетрагональные оксофториды РЗЭ иногда называют как -, -,- фазы [58-60].

Кроме указанных трех основных типов оксофторидов редкоземельных элементов и иттрия известны ромбические сверхструктурные фазы иттрия, которые являются членами гомологического ряда LnOn-1Fn+2 при п =4, 5, 6, 7.

С помощью высокотемпературной рентгенографии и ДТА впервые наблюдали полиморфные превращения в оксофторидах РЗЭ от лантана до лютеция [16-21]. В результате исследований обнаружено обратимое полиморфное превращение ромбоэдрической модификации в кубическую.

Переход в высокотемпературную форму сопровождается увеличением объема элементарной ячейки на 0,7-1%. Температура перехода в зависимости от номера РЗЭ изменялась в пределах от 753 К (La) до 871 (Er) и практически не показывала разницы от состава оксофторида для данного редкоземельного элемента. Обратимый переход «куб-ромбоэдр» на 10-20 К ниже, чем «ромбкуб». Наблюдаемый гистерезис, очевидно, можно объяснить следующим образом. Переход «ромб-куб» связан с упорядочением – разупорядочением атомов кислорода и фтора. Процесс разупорядочения должен включать миграцию анионов через промежуточные дырки, что затрудняется с уменьшением размера катиона, так как при этом решетка сжимается, поэтому и требуется несколько большая энергия.

Температурный гистерезис превращения «куб-ромбоэдр» изменяется при повышении давления. Авторы [61], изучая этот переход для оксофторидов лантана, самария, гадолиния и эрбия при давлениях до 4 ГПа, установили, что температурный гистерезис превращения «ромбоэдр-куб», отмеченный в [19], снижается до 60, а само разупорядочение «ромбоэдр-куб»

оксофторида самария при нормальном давлении переход «ромбоэдр-куб»

наблюдается при 797 К, а при давлении около 4 ГПа – 873 К. При давлении 8КПа и температуре 1273 К некоторые ромбоэдрические оксофториды координацией катионов до 9 и уменьшенные объемы (по сравнению с кубической структурой) на 4-7%. В [62] получены ромбические фазы оксофторидов от лантана до гадолиния. При 1273 К и давлении 6 ГПа кубический PrOF и ромбоэдрический NdOF в течение двух часов полностью переходят в ромбическую модификацию. Из ромбических оксофторидов самария, европия, гадолиния при 10000С и давлении 8-9 ГПа образуется смесь тетрагональной и ромбической фаз. Ромбический оксофторид иттрия в этих условиях не претерпевает фазовых превращений, а оксофториды тербия и диспрозия при 1373 К и 10 ГПа в течение 1 часа переходят в тетрагональную фазу. Все полученные под давлением фазы при 673 К в инертной атмосфере вновь переходят в исходные фазовые состояния [62].

оксофторидов скандия, иттрия, лантана при давлениях до 10 ГПа, построены диаграммы состояния и для установленных инвариантных равновесий вычислены значения энтропии, энтальпии и внутренней энергии. Отмечено, принадлежат к ряду промежуточных соединений в системах LnF3 – Ln2O3.

Пространственная группа ромбических фаз соответствует типу PbCl согласно [62-66], Z = 4.

Попытка авторов [19] исследовать тетрагонально-кубический переход с применением высокотемпературной рентгенографии и дифференциальнотермического анализа оказалась безуспешной. Переход не наблюдался вплоть до высоких температур (более 1373 К), при которых уже отмечался пирогидролиз оксофторидов. Однако известны публикации, в которых приведены результаты исследования превращения «тетрагон-куб», трактуемого как полиморфный переход, что является маловероятным, так как тетрагональные и кубические фазы – это оксофториды, отличающиеся не только по структуре, но и по химическому составу.

Оксофториды редкоземельных элементов нерастворимы в воде и минеральных кислотах, за исключением кипящей серной и соляной [41] кислот, а также горячей хлорной [25]. В растворимую форму оксофториды оксофторидов неизвестны. Оксофториды РЗЭ не окисляются кислородом, о чем свидетельствуют термодинамические данные [67] для реакции приведенные в таблице 1.1. При нагревании во влажной атмосфере оксофториды склоны к дальнейшему пирогидролизу (таблица 1.2).

Оксофториды относятся к тугоплавким соединениям, хотя сведения термическую устойчивость YOF с помощью ДТА в атмосфере гелия в запаянном молибденовом тигле, не зафиксировали эффекта плавления даже при 2173 К.

Термодинамические данные для реакции взаимодействия * H0 и G0 в ккал/моль, S0 в кал/(мольК); Кр = Р2F2/Po Термодинамические данные для реакции пирогидролиза оксофторидов * H0 и G0 в ккал/моль, S0 в кал/(мольК); Кр = Р2F2/Po PHF* в атм на воздухе при РН2О = 0,02 атм. В таблицах данные для 298; и 1700 К.

Кубический оксофторид гадолиния [44] был устойчив в токе сухого азота до 1273 К и не испытывал превращения, а при нагревании выше 1273 К распадался на кубическую фазу с меньшим параметром элементарной ячейки. При охлаждении новая кубическая фаза превращалась в ромбоэдрическую. Повышение температуры до 1773 К приводило к образованию Gd2O3 кубической модификации.

Термическое поведение оксофторидов Y, La, Nd, Sm изучено методами высокотемпературной рентгенографии, ДТА, эффузии Кнудсена и массспектрометрии [73-75]. Оксофторид неодима согласно [19] при температуре выше 1748 К разлагается с образованием оксида и удалением газообразного продукта.

Оксофторид самария разлагается аналогично оксофториду неодима при температуре выше 1773 К [73]. При 1815 К оценены термодинамические данные для этого процесса. Образующийся оксид самария был в моноклинной модификации. Других фаз, кроме Sm2O3, в твердом остатке после испарения не обнаружено.

Изучение систем, включающих оксофториды редкоземельных элементов, представляет интерес в плане поиска новых веществ и материалов, пригодных для практического использования.

Фазообразование в системах LnOF – LnF3 в условиях повышенных давлений (до 10 ГПа) изучено в работах [63-66]. В процессе синтеза образцов при 1673 К содержание LnF3 в LnOF возрастает от 45 мол.% до 80 мол.% с увеличением давления. Однако, как отмечено в [63-66], непрерывность ряда фаз переменного состава нарушается появлением либо дискретных тетерагональных оксофторидов, например, ScOF7, LaOF4, Y2OF4, а затем образованием двухфазной области в результате перехода кубического LnOF в структурный тип PbCl2. На основании исследований сформулированы основные положения, характеризующие схему фазовых превращений при давлении 10 ГПа и дающие методический подход к их пониманию.

1.3. СИСТЕМЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ ОКСОФТОРИДЫ РЗЭ

Определенный интерес представляет гетеровалентное замещение изоморфных смесей на основе оксофторидов РЗЭ, поскольку в этом случае наряду с термической устойчивостью можно ожидать также улучшения таких практически важных характеристик, как спектроскопические, оптические, электрофизические и др. Известно, что гетеровалентный изоморфизм приводит к образованию в кристаллах значительного количества взаимодействующих точечных дефектов, способных резко изменить их физико-химические свойства. Системы с гетеровалентными твердыми растворами на основе фторидов щелочноземельных элементов, включающие оксофториды РЗЭ, исследовались в работах [71,72].

Интерес представляют системы MeF2 – LnOF (Ме – щелечноземельный элемент) [73-75]. Авторы [73,74] с помощью ДТА и РФА образцов, прокаленных в атмосфере гелия, изучали взаимодействие в указанных системах и построили диаграммы состояния MeF2 – LnOF (Me – Ca, Sr, Ba;

Ln – La, Gd, Y). Все системы имеют диаграммы состояния перитектического типа с твердыми растворами, как на основе флюорита, так и оксофторидов РЗЭ. Максимальная растворимость LnOF в MeF2 при 14500С до 67 мол.%, а MeF2 в LnOF – до 45 мол.%. С понижением температуры область гомогенности обоих типов твердых растворов сужается. Изменение параметра элементарных ячеек в зависимости от состава отличается положительными отклонениями от правила Вегарда. Методом Бриджмена в атмосфере гелия с закалкой от 1000 до 12000С получены оптические прозрачные монокристаллы твердых растворов на основе фторидов ЩЗМ, содержащих от 2 мол.% до 10 мол.% оксофторида РЗЭ. Согласно [75] кубические твердые растворы в системе CaF2 – EuF3, устойчивые на воздухе до 900-10000С, существуют во всей области концентраций компонентов, а твердые растворы в системе CaF2 – Eu2OF4 до 85 мол.% Eu2OF4. В кристаллической структуре оксофторидов ионы РЗЭ могут замещать друг друга. Такие смешанные фазы исследовались для систем фторид кальцияоксофторид церия. Твердые растворы в этих системах характеризуются или заполнением вакантных пустот, или образованием анионных вакансий.

1.4. ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА И СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА

ОКСОФТОРИДОВ РЗЭ

В поисках новых эффективных люминофоров был изучен ряд оксогалогенидных систем. Первым из соединений этого класса был исследован оксохлорид лантана, активированный Sm, Sb, Bi, Nd [76].

Далее в работах [77,78] были изучены люминесцентные свойства оксохлоридов лантана и иттрия, активированных редкоземельными элементами. При этом удалось получить ряд интересных люминофоров с высокой яркостью свечения, например, YOClCe и YOClDy.

оксобромидов РЗЭ и иттрия [79]. Однако все эти соединения, и в особенности оксобромиды и оксоиодиды, отличаются сравнительно малой химической стабильностью и гидролитической стойкостью, что затрудняет их практическое использование. Оксохлориды обладают и тем недостатком, что сравнительно быстро разрушаются электронным пучком в процессе возбуждения. В связи с этим, учитывая некоторые ценные люминесцентные свойства оксогалогенидов, представлялось интересным исследовать возможность активации РЗЭ других соединений аналогичного состава, а именно оксофторидов, отличающихся высокой химической стойкостью [27].

Оксофториды лантана и иттрия имеют состав MeOF. Они не растворимы в воде и большинстве неорганических кислот и не гидролизуются при действии воды даже при кипячении [80].

Оксофториды кристаллизуются в тетрагональной (-) и ромбической (-) стехиометрическому составу. По результатам расчетов кластеров RO3F3 (R=Y или РЗЭ), имеющих точечную симметрию C3V, в [81] выполнены теоретические исследования электронного строения ромбоэдрических оксофторидов. Обсуждаются эффекты ковалентности, участие различных электронных оболочек в химическом связывании, изменение электронного строения кристаллов по мере заполнения 4f-состояний РЗЭ. В [82] приведены кристаллохимические характеристики оксофторидов La, Pr, Nd, Eu и Y, полученных твердофазным взаимодействием LnF3 и Ln2O3. Кластерным Хметодом проведены теоретические расчеты электронного строения LnOF.

С помощью методов фотоэлектронной и рентгеновской эмиссионной спектроскопии исследована электронная структура оксофторидов LaOF, EuOF и YOF в диапазоне энергий связи от 0 до 50 эВ. Интерпретация наблюдаемых спектров проведена на основе расчетов электронной структуры кластеров типа (RO4F4)9-,где R=La, Eu, Y [83]. В [84], построенная на основании кластерных расчетов, диаграмма состояний использована для полуколичественной интерпретации спектров люминесценции.

Измерены рентгеновские электронные спектры кристаллов оксофторида лантана, а также оптические электронные спектры отражения в области от до 12 эВ. Также было установлено, что потолок валентной зоны в кристаллах LnOF и YOF формируется из 2р-состояний кислорода и фтора [85]. В работе [86] также были исследованы особенности формирования валентной зоны (2р-состояний кислорода и фтора) и определена ширина запрещенной зоны (~ 6,5 – 7,2 эВ) кристаллов оксофторидов РЗЭ путем анализа рентгеновских эмиссионных спектров.

Получены электронные спектры фторидов, оксофторидов и оксидов РЗЭ в области 220-1000 нм. Обнаружено и интерпретировано закономерное смещение полос поглощения в зависимости от характера химической связи в ряду LnF3 – LnOF – Ln2O3 [87]. С целью оценки возможности создания квазимонохроматических катодолюминофоров авторами [88] были исследованы спектры люминесценции поликристаллических образцов оксофторидов и оксоиодидов лантаноидов, активированных европием. Ими была проведена интерпретация штарковской структуры энергетических уровней и получены оценки величин параметров кристаллического поля и параметров Джадда, исследованы температурные зависимости люминесценции. Приведены характеристики оптических фильтров, необходимых для получения узкополосной люминесценции.

Спектральные свойства ионов Eu3+ в твердых растворах LnOF – EuOF с различными структурными модификациями (Ln = La, Gd, Y) были изучены в работе [89]. В ней представлен расчет спектра иона Eu3+ для симметрии Td,C3V, C4V в кубическом, ромбоэдрическом и тетрагональном LaOF.

Авторами [89] была обсуждена характеристика полос переноса заряда, а также величина штарковского расщепления и ширина линий излучения в ряду LaOF, GdOF, YOF в зависимости от расстояний Ln – O, Ln – F.

Авторами [90] были синтезированы кристаллофосфоры на основе кубической модификации LaOF – TR3+ (где TR3+ = Pr, Sm, Eu, Tb, Dy, Er, концентрация ионов РЗЭ от 0,5 до 20 мол.%) и исследованы спектры люминесценции (350-750 нм) и возбуждения (220-600 нм). В [91] полосы в спектрах возбуждения оксофторида лантана, активированного трехвалентными редкоземельными ионами, при энергиях от 4,5 до 5,3 эВ связываются с полосами переноса лиганд – металл. Из сопоставления спектров возбуждения и отражения делается вывод относительно ширины запрещенной зоны кристалла LаOF.

оксофторидам РЗЭ и иттрия, показывает обилие информации по методам синтеза и физико-химическим свойствам затрагиваемых объектов, но в тоже время практическое отсутствие данных по спектральным свойствам конденсированном состоянии. Кроме того, отсутствуют данные по спектрам диффузного отражения различных оксофторидов РЗЭ и иттрия, а в качестве матриц для люминофоров они не рассматривались вообще. Не установлена зависимость люминесцентных свойств от состава нестехиометричных оксофторидных матриц иттрия и гадолиния.

Не выявлены области существования нестехиометричных фаз в субсолидусной области, хотя и имеются указания, что тетрагональные фазы имеют широкие области существования.

Описанные в литературе методы получения оксофторидных фаз носят чисто экспериментальный характер, требуют длительного времени и дорогостоящих материалов.

В связи с вышеизложенным, задачи исследования могут быть сформулированы следующим образом:

– изучить термическое поведение фторидов и оксидов некоторых РЗЭ и иттрия;

– разработать методы получения оксофторидов иттрия и РЗЭ не требующих длительного времени и дорогостоящих конструкционных материалов, обеспечивающих синтез оксофторидов заданного состава и кристаллической структуры.

– исследовать зависимость фазового состава от соотношений компонентов в системе (Y)LnF3 – (Y)Ln2O3 и на основании этого уточнить и построить фазовые диаграммы состояния в субсолидусной области;

– изучить возможность стабилизации кубической структуры оксофторидов РЗЭ и иттрия при изоморфных гетеровалентных замещениях с образованием гомогенных твердых растворов;

– оценить сравнительную эффективность использования оксофторидов РЗЭ и иттрия в качестве матриц для люминофоров;

– исследовать спектральные свойства некоторых оксофторидов РЗЭ и иттрия, поведение их при испарении в вакууме и создании тонкопленочных оптических покрытий на их основе.

ИСХОДНЫЕ ВЕЩЕСТВА, МЕТОДИКИ СИНТЕЗА И

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исходные материалы, использованные в процессе эксперимента, представлены в таблице 2.1:

19 Кислота фтороводородная осч 14-7 ТУ6-09-1217- ректифицированный Для разработки способов синтеза порошкообразных оксофторидов РЗЭ выбраны системы, содержащие иттрий, неодим и европий, гадолиний, тербий и др., обсуждаемые в литературе в качестве перспективных матричных материалов. При исследовании оптических характеристик тонкослойных конденсатов синтезировали и другие оксофториды. За основу синтеза принят процесс твердофазного взаимодействия фторидов (LnF3) и оксидов (Ln2O3) редкоземельных элементов, являющийся наиболее удобным для экспериментальной проработки. В результате реакции, обуславливаемой соотношением исходных компонентов, возможно, избежать образования побочных продуктов, требующих отвода из реакционной зоны, и вместе с тем смоделировать условия для улучшения стехиометрии в оксофторидах.

Кроме того, основное внимание уделялось исследованию термического поведения исходных веществ, условиям подготовки шихты для отжига полидисперсных и керамических для вакуумного испарения материалов, аппаратурному оформлению процесса взаимодействия, а также выбору материала реакционных ячеек.

2.2.1. Синтез оксофторидных полупродуктов РЗЭ Для приготовления шихты при высокотемпературном синтезе оксофторидов использовали фториды и оксиды РЗЭ квалификации не менее «хч». Навески в заданных соотношениях помещали в агатовую ступку, добавляли спирт и растирали до испарения последнего. Полученную смесь сушили при температуре 50-800С до пыления. Высушенную шихту просеивали через сито №123 и загружали в алундовый тигель, который в свою очередь помещали в кварцевый тигель для предотвращения контакта с воздухом. Температура прокаливания шихты выбиралась исходя из задач экспериментальной части.

2.2.2. Методы получения материалов для тонкослойной оптики Специфические качества тонкослойных оптических покрытий (термостойкость, влагостойкость, светопропускание, поглощение, отражение и т.д.) и особенности технологии их получения определяют соответствующие требования к материалам для тонкослойной оптики. Материалы должны иметь компактную форму (таблетки, гранулы, плавы) высокой механической прочности и плотность, близкую к теоретической величине. Такие материалы при испарении существенно не нарушают вакуумный режим процесса, позволяют вести их испарение и конденсацию на подложках в стабильном режиме, гарантируют получение на подложках тонкослойных оптических покрытий с заданными оптико-физическими и химическими свойствами.

Поэтому методическая схема синтеза материалов для тонкослойной оптики, как для нужд экспериментальных исследований, так и для промышленного производства должна состоять из ряда последовательных операций:

1. Синтез порошкообразных материалов (гидрохимическими или твердофазными методами);

2. Формирование материала из порошкообразных синтезированных веществ методами прессования;

3. Термическая обработка отформованного материала в диапазоне температур 700-14000С, в зависимости от природы исходного вещества или диаграммы состояния композиционных материалов, в инертной или фторирующей атмосфере;

4. Отбор проб для определения оптических и других характеристик.

Так, полученные оксофториды РЗЭ прессовали при давлении 200- кг/см2 в таблетки различных размеров в зависимости от задач эксперимента или прессовали шихту, состоящую из оксидов и фторидов РЗЭ и прокаливали в защитной атмосфере при температурах синтеза целевых продуктов.

Прокаленный материал испаряли с целью получить тонкопленочное оптическое покрытие.

2.3. МЕТОДЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА многокомпонентных систем проводили на дифрактометре ДРОН-УМ-1 с СиК – излучением при Fe – фильтре и следующих параметрах съемки:

ширина первой и второй щели – 0,5 мм, ширина щели перед счетчиком – 0,5 мм, масштаб дифрактограммы – 10 соответствует 12 мм. Плоскость образца была установлена на оси гониометра с точностью 0,1 мм, погрешность при определении нуля счетчика не превышала 1 мм.

Известно, что рентгенограмма многокомпонентной системы представляет собой результат наложения рентгенограмм отдельных фаз, интенсивность линий которых пропорциональна содержанию фазы в дифракционных максимумов отражения оказывает физическое состояние текстурированность. Кроме того, при одном и том же содержании определяемой фазы, интенсивность ее линий изменяется в зависимости от среднего коэффициента поглощения рентгеновских лучей в образце, который, в свою очередь, может изменяться с изменением фазового состава в затрудняют строгую количественную оценку фазовых составляющих – продуктов химических реакций и в особенности в системах Ln2O3 – LnF3, идентификация промежуточных фаз (не исключая аморфных), изменяющих распределение интенсивностей фазовых составляющих в зависимости от характеризует их количественные соотношения в смеси, сколько отражает последовательность процессов фазообразования при взаимодействии соответствующих фторидов и оксидов РЗЭ.

Прецизионный рентгенофазовый анализ проводили с использованием камеры-монохроматора Гинье-де-Вольфа и FR-552. Камера Гинье-де-Вольфа имеет изогнутый кварцевый монохроматор, отшлифованный под углом 4,50 к чувствительность фазового анализа в случае равнорассеивающих объектов (таковыми являются оксофториды РЗЭ) до 0,5 масс.%.

(германий), небольшое количество которого добавлялось в образец.

Последний тщательно растирался и наносился тонким слоем на подложку из кальки с помощью несохнущего клея. Все рентгенометрические данные обрабатывались с помощью стандартных программ и выводились на персональный компьютер Pentium-4.

2.3.2. Дифференциально-термический анализ Кривые дифференциально-термического анализа снимали на дериватографе Q-1500D в воздушной атмосфере. Конструкция прибора обеспечивала линейный подъем температуры до 10000С со скоростью 5- град/мин. Погрешность измерения массы при навеске образца 0,05-0,5 г и чувствительности 50-100 мг составляла 0,1%. Образцы анализировали в платиновых тиглях и на платиновых «тарелочках».

2.3.3 Методы электронно-микроскопического исследования Электронно-микроскопическое исследование тонких пленок проводили на установке УЭМБ-100А с помощью реплик по методике, разработанной применительно к тонкопленочным объектам. Тонкие пленки помещали на поверхности чистого предметного стекла. На установке ТYР-12АЕ в вакууме 0,66510-3 Па под углом 30-400 производили предварительное оттенение платиной. Слой напыленного металла составлял 50 и более. В вакууме 0,66510-2 Па под прямым углом с расстоянием 100 мм термическим способом напыляли углеродную пленку толщиной около 100-150.

Углеродную пленку вместе с оттеняющим слоем отделяли от стеклянной подложки и помещали на поверхность 25%-ного раствора винной кислоты.

После растворения частиц препарата реплику промывали водой и вылавливали на сеточку-объектодержатель, затем высушивали. Реплику помещали в электронный микроскоп, и световое изображение фиксировали на специальную фотопластину. По фотоотпечаткам определяли структуру и однородность покрытия.

Анализ морфологических особенностей порошкообразных фторидов проводили с помощью растрового микроскопа «Steroskan» S 4-10.

Съемка проводилась в режиме эмиссии вторичных электронов и в режиме отраженных электронов. Ускоряющее напряжение 10 кВ, ток препаративного столика относительно луча – 4, число строк на кадр – 1000.

В качестве токопроводящего слоя использовали алюминий.

2.4. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ И

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Спектры диффузного отражения [92] снимали на спектрофотометре AQV-50 фирмы «Shimadzu» с приставкой для измерения относительных коэффициентов диффузного отражения. В качестве стандарта использовали прессованный порошок оксида магния [93,94]. Измерения проводили в области длин волн 350-700 нм на вольфрамовой лампе и 250-350 нм на водородной лампе.

При помощи спектров диффузного отражения проводился контроль фазового состава образцов, согласно работе [95].

составляла 0,1%.

ИК- спектры индивидуальных соединений и многокомпонентных систем снимали на инфракрасном Фурье-спектрометре «Infralum FT – 801». Съемка проводилась с использованием вазелинового масла высокой степени чистоты, небольшое количество которого добавлялось в образец. Последний тщательно растирали в агатовой ступке и затирали тонким слоем в кювету, которую в свою очередь помещали в прибор. Все данные обрабатывались с помощью специальных программ и выводились на персональный компьютер Pentium-4.

2.4.3. Измерение суммарных потерь на поглощение Установка предназначена для измерения малых (не более 5%) суммарных потерь на поглощение в оптических элементах (ОЭ) с максимумом длины волны 10,6 мкм методом адиабатической калориметрии.

Установка состоит из измерительных приборов Ф-138, Н-307/1, Щ- и стрелочного вольтметра ИМО-2Н. Активной частью лазерного калориметра являются лазер ЛГН-207Б и ИЛГН-709. Перед съемкой пропускания (поглощения) необходимо откалибровать измерительные приборы, а затем включить блоки питания лазеров.

Принцип действия лазерного калориметра проюстированного на поглощение основан на том, что в точках оптического элемента возникают избыточные температуры по сравнению с областями хорошего пропускания.

Такая работа прибора полуавтоматическая с записью кривых пропускания и поглощения.

Измерение показателя преломления тонкопленочных образцов на основе халькогенидов металлов в диапазоне различных длин волн также проводили на лазерном эллипсометре ЭЛ-4М с перестраиваемой длиной волны.

2.4.4. Определение люминесцентных характеристик Спектры возбуждения люминесценции измерялись на установке с вакуумным монохроматором ВМР-2. В качестве источника излучения использовалась капиллярная проточная водородная лампа, вакуумно-плотно присоединенная к монохроматору со стороны входной щели. Металлический азотный криостат с окнами из фторида лития присоединялся к монохроматору со стороны выходной щели. Образцы (исследуемый и опорный) наносились на два одинаковых латунных кристаллодержателя.

Ширина щели изменялась по сигналу от салицилата натрия, обладающего независящим от длины волны возбуждающего света квантовым выходом, благодаря чему поддерживалось равенство интенсивности возбуждающего излучения разных частот.

Спектры излучения при УФ-возбуждении (= 254; 365 нм) измеряли на спектрофотометре Hitachi-850 с автоматической записью. Источником возбуждения в приборе служит дуговая ксеноновая лампа типа UXL- фирмы «Ushio».

Координаты цветности синтезированных образцов измеряли с помощью фотоколоритметра CL-100 фирмы «Minolta» (Япония).

параметров UT-9005. Возбуждение осуществляли с помощью ртутной лампы ДРШ-3 со сменными фильтрами на 254 и 365 нм. Для определения яркости свечения использовали откоррегированный по кривой видности глаза селеновый фотоэлемент ФЭС-10.

Перед началом измерений прибор UT-9005 прогревали в течение минут, на индикаторе яркости выставляли «ноль».

СИНТЕЗ, ФАЗОВЫЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА

ОКСОФТОРИДОВ ИТТРИЯ И РЗЭ

При разработке методов синтеза порошкообразных оксофторидов РЗЭ особое внимание уделялось системам, содержащим иттрий, гадолиний, неодим и европий, как наиболее перспективным в качестве матричных и активаторных материалов в люминесцентной технике.

В отличие от фторидов магния и щелочноземельных элементов фториды РЗЭ осаждаются гидрохимическими методами в виде гидратов переменного состава, прочно удерживающих воду. С помощью различных сложных приемов удается осуществить обезвоживание гидратов, но, зачастую, происходит загрязнение целевого продукта оксидными формами вследствие пирогидролиза. Поэтому требуются специальные приемы синтеза и обработки фторидов иттрия и РЗЭ, чтобы получить фторидные материалы, не содержащие оксидных форм.

Гидраты фторида иттрия представляют собой твердые растворы [96] с nH2O = 0,3-0,75. Дегидратация при высоких температурах (450-700С) влечет за собой частичную потерю фтора и образование оксофторида в неконтролируемых количествах:

Дополнительное фторирование в режиме термообработки не блокирует этот процесс, так как газы не диффундируют на большую глубину, и остается керн, состоящий из двух фаз YF3 и YOF.

Постановка исследований процессов синтеза оксофторидов РЗЭ и иттрия, пригодных для различных применений, является многоплановой и включает в себя решение следующих задач:

а) изучение термических свойств фторидов и оксидов РЗЭ (РЗЭ – Y, La, Pr, Nd, Eu);

б) исследование фазовых составляющих в системах LnF3 – Ln2O3;

в) анализ условий синтеза заданных нестехиометричных оксофторидов различных структурных модификаций;

г) стабилизация структур при изоморфных гетеровалентных замещениях с образованием гомогенных твердых растворов;

д) определение спектральных характеристик полученных материалов.

За основу синтеза принят процесс твердофазного взаимодействия фторидов (LnF3) и оксидов (Ln2O3) редкоземельных элементов, являющихся на наш взгляд, наиболее удобным для экспериментальной проработки. В результате реакции, обуславливаемой температурой и соотношением исходных компонентов, возможно избежать образования неконтролируемых продуктов и вместе с тем смоделировать условия для улучшения контролируемой нестехиометрии в оксофторидах РЗЭ.

3.1. ТЕРМИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ ФТОРИДОВ И ОКСИДОВ ИТТРИЯ

Для получения истинных соотношений компонентов в системах LnF3 – Ln2O3 прежде всего необходимо уточнить присутствие влаги и других летучих компонентов в исходных веществах.

Исследование термического поведения фторидов и оксидов проводили в условиях вакуума и на воздухе при 293-1373К. Известно, что неорганические фториды, в том числе и РЗЭ, благодаря сильной электроотрицательности фтора и коротким катион-анионным расстояниям в них, обладают высокими энергиями решетки. Фториды довольно инертные вещества – ни кислород, ни сера, ни другие галогены не способны вытеснять фтор из его соединений.

Другая ситуация возникает в случае действия влаги, в присутствие которой при незначительном повышении температуры происходит реакция гидролиза фторидов. Пирогидролиз фторидов РЗЭ и связанные с ним фазовые превращения достаточно изучены [23-34]. Однако остаются еще не тетрагональных оксофторидных фаз. Недостаточны сведения об условиях образования и устойчивости этих фаз. С этой целью предпринято дериватографическое исследование фторидов иттрия и некоторых РЗЭ в анализу, как фториды, так и оксиды РЗЭ, несмотря на их высокую химическую квалификацию, имеют плохо сформированную структуру, содержат примеси влаги и углекислого газа и при прокаливании в вакууме до 973К имели потери по массе от 0,3 до 14,0 масс.% (таблица 3.1).

Оценка «газовыделения» фторидов и оксидов РЗЭ при прокаливании в Вещество Как видно из таблицы, самая значительная убыль массы относится к оксиду лантана, а из фторидов РЗЭ лишь для иттрия и лантана наблюдалось максимальное уменьшение массы образца около 2,0 масс.%.

Установлено, что свежепрокаленные образцы при выдержке на воздухе в течение 2-х часов адсорбируют влагу в среднем от 1,0 (фториды) до 5, масс.% (оксиды). Образцы фторидов и оксидов после прокаливания обладали улучшенными структурными характеристиками (четкие линии рентгенограмм, исчезновение дополнительных отражений, не относящихся к данному структурному типу). Таким образом, немаловажное значение имеет состав исходного сырья, поэтому целесообразным является рассмотрение термического поведения исходных компонентов шихты. В качестве модельного объекта данного исследования был выбран трифторид европия EuF3, изучение термического поведения которого проводилось в условиях вакуума и на воздухе при 293-1373 К.

Полученные результаты использовали при подготовке шихты для синтеза оксофторидов, а также при изучении процесса пирогидролиза фторидов на воздухе. При гидрохимическом синтезе трифторида европия по реакции образуется гидратированный фторид общей формулой EuF3nH2O предполагаемая структура которого представлена на рисунке 3.1. Наличие воды определяли с помощью протонного магнитного резонанса (ПМР). На рисунке 3.2 представлены спектры ПМР гидратированного трифторида европия EuF3nH2O.

Как видно из рисунка, спектр ПМР содержит узкие и широкие компоненты. Широкая компонента а характерна для молекулярной воды, а узкая б – для неспаренных протонов гидроксила [97]. Исходя из интенсивности узкой компоненты, доля связанной воды составляет около масс.%, что вполне достаточно для протекания реакции и перестройки кристаллической структуры. Продукты пирогидролиза анализировали с помощью сканирующей электронной микроскопии и РФА, их состав устанавливали по показаниям TG- кривой дериватограмм, а температуру начала пирогидролиза – по точке перегиба этой кривой. По данным электронной микроскопии свежеосажденный гидратированный трифторид европия представляет собой хорошо сформированные кристаллы неправильной формы беспористой структуры (рис. 3.3 а). При температуре прокаливания 773 К кристаллы теряют свою форму, в них появляются поры и тоннели, доказывающие, что реакция пирогидролиза протекает не только с поверхности, но и в объеме кристаллов (рис. 3.3 б).

Кроме того, в ИК-спектре свежеосажденного EuF3, представленном на рисунке 3.4, также обнаружено две полосы поглощения. Широкая полоса в области 2750-3750 см-1, соответствующая молекулярной воде и интенсивный узкий пик поглощения с максимумом соответствующим 1640 см-1, что согласно литературным данным является характерным признаком наличия гидратированной воды в кристаллической решетке неорганических соединений. Таким образом, сопоставление данных ПМР, электронной сканирующей микроскопии и ИК-спектроскопии доказало наличие гидратированной воды в кристаллической решетке EuF3nH2O.

На рисунке 3.5 приведена типичная дериватограмма фторида РЗЭ, описывающая пирогидролиз EuF3 в интервале 293-1473 К и представлены результаты съемки образца, помещенного тонким слоем на платиновую “тарелочку”. Дериватограмма характеризуется изменением массы фторида при температуре выше 773 К без каких-либо заметных тепловых эффектов. В процессе нагревания наблюдается закономерное изменение скорости убыли массы, отмеченное на TG- кривой точками перегиба. На кривой DTG проявляются два минимума при 773-1263 К и 1263-1313 К, что свидетельствует о многостадийности процесса пирогидролиза. Максимум развития 1 стадии, соответствующий участку ав кривой TG, относится к эффекту образования фазы состава Eu2OF4 тригональной структуры. Второй участок вс характеризуется появлением тетрагональной фазы состава Eu4O3F6. И, наконец, вблизи точки перегиба с при 1313 К образуется ромбоэдрический оксофторид стехиометрического состава EuOF.

Рис. 3.1. Предполагаемая структура гидратированного EuF3.

Рис. 3.3. Микрофотографии кристаллов трифторида европия:

Рис. 3.4. ИК-спектр поглощения EuF3nH2O в области 500–4000 см-1.

Рис. 3.5. Дериватограмма EuF3.

Дальнейшее повышение температуры сопровождается более глубоким гидролизом с образованием оксида Eu2O3. При съемках образца трифторида, помещенного в тигель, ход кривых дериватограмм аналогичен, однако, начало пирогидролиза сдвигается на 50-100 градусов в область более высокой температуры и процесс «растянут» во времени. Так, пирогидролиз трифторида европия на тарелочке завершается образованием однофазного продукта EuOF при 1273 К, тогда как в тигле образцы и при 1400 К содержали фазу исходного трифторида. По-видимому, в этом случае создаются затруднения для отвода из реакционной зоны выделяющегося в результате пирогидролиза фтороводорода, что приводит к снижению скорости процесса. Адсорбированная фторидами влага полностью удаляется при температуре на 100-150 градусов ниже температуры начала пирогидролиза и легко учитывается по TG- кривой дериватограмм фторидов.

В случае фторидов иттрия и лантана оказалось невозможным точное определение влаги и температуры начала пирогидролиза из-за монотонной убыли массы образцов с момента их нагревания. Предварительная выдержка фторидов иттрия и лантана в сушильном шкафу при 400 К и помещении их сразу в печь дериватографа позволили оценить температуру начала пирогидролиза. Результаты термогравиметрического и рентгенофазового анализа приведены в таблице 3.2.

Результаты пирогидролиза фторидов РЗЭ на воздухе

3.2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ФТОРИДОВ ИТТРИЯ И НЕКОТОРЫХ РЗЭ С

ИХ ОКСИДАМИ

Результаты дериватографического анализа исходных смесей явились основанием для исследования особенностей взаимодействия между трифторидами иттрия, неодима европия и их оксидами в обычных условиях на воздухе в низкотемпературном интервале. Одновременно проводили выбор материала тигля для проведения реакции взаимодействия, поскольку из литературы известно, что для этих целей в вакууме используют лишь платину и золото. В своих исследованиях мы применяли тигли из стеклоуглерода СУ-2000 и алунда, а платина использовалась для отжига образцов при высоких температурах. В каждой из систем YF3 – Y2O3, GdF3 – Gd2O3, NdF3 – Nd2O3, EuF3 – Eu2O3 были приготовлены смеси с частотой состава 10 мольных процентов. Образцы отжигали в изотермических условиях при 573; 773; 973 К в течение различного времени, а затем анализировали с помощью РФА.

Установлено, что в рассматриваемых системах при температуре 573 К происходит образование оксофторидных фаз различной структуры, в том числе и оксофторидов стехиометрического состава LnOF. Так, на рентгенограммах образцов, прокаленных в этих условиях в течение 5- часов, линии исходных фторидов и оксидов уже отсутствовали, а наблюдались отражения плохо сформированных оксофторидов. Дальнейшее прокаливание образцов при тех же режимах приводило к улучшению структурных характеристик оксофторидов, однако при 573 К для этого требуется значительное время (более 15-20 часов). Для всех систем одинаково характерно образование оксофторидов стехиометрического состава только в ромбоэдрической модификации, а кубическая структура типа флюорита в этих условиях не отмечалась даже при быстром охлаждении шихты. Общим для рассматриваемых систем является также то, что образцы в области фазовой диаграммы со стороны оксида РЗЭ были двухфазными.

Протяжение области гомогенности наблюдается со стороны фторидов РЗЭ, как при 773, так и при 1273 К (рис. 3.6; 3.7).

Было проведено исследование спектров отражения исходных фторидов иттрия, неодима, европия и полученных оксофторидов в области 200-1200 нм [98]. Характер спектральной кривой позволяет сделать предварительный вывод о сформированности исследуемого образца, т.к. дополнительные изгибы указывают на наличие отдельных фаз и, как следствие, на неоднородность состава образца.

Система YF3 – Y2O3 Взаимодействие YF3 и Y2O3 согласно результатам термогравиметрического и рентгенофазового анализа отмечалось при температуре выше 573 К. Процесс сопровождался размытым экзотермическим эффектом в интервале 573-763 К, максимум развития которого соответствует 703 К. Образцы при 573 К были двухфазными во всей области концентраций компонентов, где в качестве одной из фаз всегда присутствовала оксофторидная фаза, структуру и состав которой определить не представлялось возможным из-за слабой интенсивности линий на рентгенограммах. В продуктах нагревания шихты YF3:Y2O3 = 1:1 после завершения экзоэффекта зафиксировано образование оксофторида иттрия ромбоэдрической структуры, однако состав его не отвечал формуле YOF.

Стехиометрический оксофторид иттрия в этих условиях формировался лишь при 8-10%- ном избытке фторида иттрия. С повышением температуры до 873К однофазное состояние достигалось без изб тка фто ида (рис.3.8).

выс кот мпе ату ног вакуум ого син еза [99U показа некот рое т че ие час в таб лизиров лся ромбоэд иче кий оксофторид от ечалось обр зовние ромбическог оксофторид состава Y7 6F (рис.3. ).

Рис. 3.6. Ф зовая диагр мма системы LnF3—Ln2O3 (Ln=Y; Nd; Eu) на *Заштри ована область г могенности т трагональных фаз LnO1-xF1+2x Р с. 3.7. Фазовая диаграм а LnF3— n2O (Ln=Y; Nd; Eu) на возд хе *Зашт ихо ана обл ст гомогенности те раг нал ных фаз LnO xF1+2x ис.3.8. R- штрЭх-д агр мма YOF€ по уче ного при 873К.

(рис.3.10,кри ая ) показывают пик поглощения в области 310 и 390 нм, затем, после 430 нм кривая выходит на насыщение с некоторыми флуктуациями, что характерно для соединений с преобладающей ковалентной связью. Для трифторида иттрия незначительное поглощение наблюдается в области 300 и 315 нм, однако, до 390 нм отражение достигает 102 % по отношению к эталону – оксиду магния (рис. 3.10, кривая 2). Затем отражение понижается до 99% и выходит на насыщение. Подобные кривые характерны для соединений с преимущественной ионной связью. Иная картина наблюдается для прокаленных при 1273 К образцов с различным соотношением YF3 : Y2O3. При соотношении YF3 : Y2O3 = 90 : 10 мол.%, т.е.

вне области гомогенности (рис. 3.7) отражение при 270-310 нм снижается до 74% и при дальнейшем увеличении длины волны достигает максимума в районе 98%. Далее кривая выходит на насыщение до 640 нм, а затем вновь наблюдается эффект поглощения в области 640 нм (рис. 3.11, кривая 1).

Вероятно, это связано с трехфазностью системы и взимным светорассеянием.

Для соотношений YF3:Y2O3 = 50 : 50 мол.% = YOF и YF3 : Y2O3 = 60 : мол.% = Y7O6F9 спектры диффузного отражения носят иной характер (рис.

3.11, кривые 2; 3). Спектры этих соединений имеют идентичное поглощение в области 300-310 нм, затем наблюдается подъем до уровня 101-104 %, далее кривые выходят на насыщение (98 %) вплоть до 670 нм. Такой ход кривых связан с монофазностью образцов (YOF и Y7O6F9) и эти составы практически входят в область гомогенности при 1273 К.

Rg,% 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 Rg,% 270 290 310 330 350 370 390 410 430 450 470 490 510 530 550 570 590 Рис.3.11. Спектры диффузного отражения образцов YF 3 +Y 2 O 3, прокаленных при 1273 К С помощью рентгенофазового анализа в системе Y2O3–YF3 было зафиксировано наличие четырех нестехиометричных (отличных от YOF) оксофторидов иттрия: Y5O4F6, Y6O5F8, Y7O6F9, Y17O14F23, синтезированных при температуре 1473 К. На основании данных рентгенофазового анализа была построена фазовая диаграмма в субсолидусной области (рис. 3.12), на которой указаны области существования отдельных фаз оксофторидов иттрия, отличных от стехиометрии.

Из диаграммы видно, что области существования надструктурных оксофторидных фаз перекрывают друг друга, что говорит о том, что они по всей вероятности могут находиться в равновесии. Однако из диаграммы следует, что область существования фазы состава Y17O14F23 (рис.3.13) сдвинута, в отличие от остальных в сторону фторида. Это может быть связано с наименьшим соотношением O:F, что соответствует интенсивному узкому максимуму поглощения при 355 нм в спектре диффузного отражения представленному на рисунке 3.14. Спектры остальных оксофторидных фаз представляют собой кривые, имеющие пологий характер с незначительными максимумами и перегибами отличающимися лишь интенсивностью. Спектры в области 250-320 нм не приводятся, так как в этом интервале длин волн кривые имеют идентичный вид, соответствующий полному отражению образцов и не представляют никакого интереса для исследований.

Рис. 3.12. Фазовая диаграмма в системе YF3 - Y 2O3 на воздухе при 1473 К *Заштрихована область существования соответствующих фаз Рис.3.13. R- штрих-диаграмма Y17O14F23.

Rg,% 320 330 340 350 360 370 380 390 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 Рис. 3.14. Спектры диффузного отражения нестехиометричных оксофторидов иттрия:

На полученных образцах оксофторидов иттрия также снимали ИКспектры, на которых явно просматривается сдвиг основного волнового числа, соответствующего оксофторидным фазам, в более коротковолновую область в зависимости от соотношения кислород-фтор. Как иллюстрирует рисунок 3.15, в спектрах оксофторидов иттрия наблюдается полоса поглощения с одним, двумя и тремя максимумами поглощения в области 500-550 см -1.

Для YF3 наблюдаются максимумы в области 506 и 526, что соответствует связям Y-F и F-F,соответственно. В ИК-спектре YOF появляется максимум области 543 см -1, что принадлежит, вероятно, связи Y-O. Эти же максимумы характерны для Y6O5F8 и Y17O14F23 с небольшими флуктуациями. В ИКспектре Y5O4F6 проявляются два максимума с 502 и 533 см -1. Для Y7O6F9 явно выражен один максимум в области 501 см -1, остальные проявляются слабо или накладываются на основной максимум.

Система GdF3 – Gd2O3. Синтез оксофторида гадолиния проводился при температуре 1473 К в алундовых тиглях. Продукт, отобранный после завершения процесса, согласно РФА не содержал исходных компонентов, а представлял собой оксофторидную фазу. Фазовые составляющие в системе при температуре 1473 К на воздухе представлены на рисунке 3.16. При соотношении GdF3 : Gd2O3 = 1:1 всегда образуется оксофторид стехиометрического состава GdOF, а при других соотношениях – Gd4O3F (рис.3.17), Gd5O4F7, Gd6O5F8, Gd7O6F9, Gd17O14F23.

Из диаграммы следует, что области существования нестехиометричных (отличных от GdOF) оксофторидных фаз накладываются друг друга. Это может быть свидетельством возможности одновременного сосуществования нескольких фаз в твердом растворе оксофторида. При этом как и в случае системы Y2O3 – YF3 область существования фазы состава Gd17O14F23 смещена в сторону фторида. В спектре диффузного отражения (рис.3.18)это проявляется в виде усиления поглощения образца Gd17O14F23 по сравнению с оксофторидом состава Gd4O3F6. Кроме того в спектре Gd17O14F23 исчезают максимумы поглощения при 300, 345 и 400 нм, а при 490 нм максимум Рис. 3.15. ИК- спектры поглощения оксофторидов иттрия.

Рис. 3.16. Фазовая диаграмма в системе GdF3 - Gd 2O3 при 1473 К *Заштрихована область существования соответствующих фаз Рис. 3.17. R- штрих-диаграмма Gd4O3F6.

Rg, % 250 253 256 259 270 285 300 315 330 345 360 375 390 410 440 470 500 530 560 590 620 650 680 поглощения в спектре Gd4O3F6 сменяется на интенсивный узкий максимум отражения для Gd17O14F23.

Сопоставление инфракрасных спектров соответствующих оксофторидов гадолиния, представленных на рисунке 3.19, показало наличие двух полос поглощения с двумя максимумами разной интенсивности (первый в области оксофторидной структуре этих соединений. Оксофторид состава Gd6O5F имеет ИК- спектр с одной полосой поглощения около 521 см -1, но в ИКспектре Gd5O4F7 уже проявляются характерные три максимума поглощения в области 510, 542 и 556 см-1.

Система NdF3 – Nd2O3. Согласно результатам термогравиметрического и рентгенофазового анализа взаимодействие NdF3 : Nd2O3 = 1:1 происходит при температуре 573 К и не сопровождается тепловым эффектом на DTA.

Продуктом взаимодействия в этих условиях является оксофторидная фаза искаженной ромбоэдрической структуры. При дальнейшем нагревании отмечался слабый эндотермический эффект на кривой DTA в области 808 К, связанный с полиморфным превращением ромбоэдрического оксофторида неодима. Химический состав образцов после завершения эндоэффекта отвечал формуле NdOF. На дериватограммах шихт с избытком или недостатком фтора эффект полиморфного перехода отсутствовал. Образцы с избытком фтора по сравнению с NdOF состояли из тетрагональных взаимодействия NdF3 с Nd2O3 (в области от NdOF до Nd2O3) были двухфазными.

Спектр диффузного отражения оксофторида неодима имеет широкую полосу отражения при >530 нм (рис.3.20). В спектре отражения образца оксофторида NdOF наблюдается интенсивный узкий пик при 360 нм, который в случае чистого трифторида NdF3 носит менее выраженный характер. Наличие кислорода не изменяет форму пика при 440 нм, однако Рис. 3.19. ИК-спектры поглощения оксофторидов гадолиния.

Rg, % 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 Триплетная структура NdF3, расположенная в области 490-680 нм с центрами тяжести при 520, 590 и 650 нм исчезает, а кривая NdOF в этом диапазоне выходит на насыщение с коэффициентом диффузного отражения равным 92 %, что, свидетельствует о монофазности образца.

Система EuF3 –Eu2O3. Взаимодействие в системе согласно термическому слабовыраженным экзотермическим эффектом, максимум которого соответствует 635 К.

Продукт, отобранный после завершения экзоэффекта, не содержал исходных компонентов, а представлял собой оксофторидную фазу ромбоэдрической структуры, которая упорядочивалась при изотермической выдержке образца 630 К в течение 5-7 часов. Фазовые составляющие в системе при температурах 560; 773 К на воздухе, а также при 1273 в вакууме одинаковы. При соотношении EuF3 : Eu2O3 = 1:1 всегда образуется оксофторид стехиометрического состава EuOF, а при других соотношениях – Eu4O3F6, Eu7O6F9, Eu2OF4 тетрагональной, ромбической и тригональной структур, соответственно.

Спектр диффузного отражения трифторида европия EuF3 имеет идентичный характер со спектром NdF3. Для оксофторида европия EuOF наблюдается такая же тенденция сглаживания спектра исходного трифторида (рис. 3.21). Наличие кислорода в кристаллической решетке фторидной матрицы приводит к исчезновению узкого пика при 310 нм, заметному размыванию пика при 360 нм и незначительному сдвигу в длинноволновую область триплетной структуры с центрами тяжести у 480, 550 и 610 нм. При 620 нм коэффициент диффузного отражения и трифторида EuF3 и EuOF имеет значение 97 и 96 % соответственно и остается постоянным вплоть до 1200 нм.

Rg, % 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640 660 680 700 Для всех приведенных выше соотношений оксид – фторид (иттрия, неодима и европия) одинаково характерно образование оксофторидов стехиометрического состава только в ромбоэдрической модификации, а кубическая структура типа флюорита в этих условиях не отмечалась даже при быстром охлаждении шихты.

3.3. СТАБИЛИЗАЦИЯ КУБИЧЕСКИХ ФОРМ ОКСОФТОРИДОВ

С целью стабилизации кубической структуры оксофторидов иттрия и РЗЭ нами была предпринята попытка исследования гетеровалентного замещения изоморфных смесей на основе оксофторидов РЗЭ, поскольку в этом случае наряду с термической устойчивостью можно ожидать также улучшения спектроскопических, оптических, электрофизических и кристаллохимических характеристик. Известно, что гетеровалентный изоморфизм приводит к образованию в кристаллах значительного количества взаимодействующих точечных дефектов, способных резко изменить их физико-химические свойства.

В настоящей работе также были изучены фазовые составляющие в системе LaOF – CaF2 – MgF2 при малых концентрациях легирующей добавки.

В системе с оксофторидом лантана ромбоэдрической структуры установлено ромбоэдрической модификации оксофторида лантана, область гомогенности которых ограничена составом, содержащим 15 мол.% CaF2. Например, показатель a () элементарной ячейки фаз, рассчитанный по известным в литературе параметрам оксофторидов РЗЭ, изменяется в пределах от 7, (для LaOF) до 7,120. Повышение температуры отжига исследуемых систем до 1573 К приводило к незначительному (на 3-5 мол.%) расширению области гомогенности ромбоэдрических фаз. Твердые растворы в системе LaOF–CaF устойчивы на воздухе вплоть до температуры 1273 К, а при дальнейшем её повышении наблюдается их пирогидролиз с образованием оксидов. Как аномалию следует отметить, что как чистый, так и легированный фторидом кальция оксофторид лантана претерпевает полиморфное превращение “ромбоэдр-куб”, сопровождаемое тепловыми эффектами на кривых DTA дериватограмм образцов. Аномально здесь то, что температура этого свидетельствует, вероятно, о термической стабилизации оксофторида лантана флюоритовой структурой CaF2.

стабилизации кубической структуры полученных оксофторидов РЗЭ ромбоэдрической модификации путем введения в них различных количеств фторидов щелочноземельных металлов (мол.%). На полученных образцах были сняты спектры диффузного отражения, представленные на рис.3.22, которые показывают, что чем больше процент легирующей добавки фторида кальция, тем заметнее усиление поглощения данных образцов, что ухудшает физико-химические характеристики системы. Это, по всей вероятности, может говорить либо об изменении кристаллической решетки исходного оксофторида, либо об образовании нового соединения (предположительно CaYF5). Однако, чем больше содержание фторида кальция в системе, тем незначительнее изменения, наблюдаемые на спектре.

Результаты рентгенофазового анализа полученных образцов указывают на то, что во всех системах образуются твердые растворы YOF – CaF2, т.к.

новых соединений типа CaYF5 обнаружено не было. На рентгенограммах наблюдался сдвиг основных пиков оксофторида иттрия при введении фторида кальция, что говорит об изменении кристаллической структуры, т. к.

рентгенофазового анализа довольно трудно определить структуру оксофторида, т.к. кубическая и тетрагональная кристаллические решетки имеют очень близкие параметры элементарной ячейки.

3.4. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСОФТОРИДОВ РЗЭ

СТЕХИОМЕТРИЧЕСКОГО СОСТАВА

Как следует из приведенных выше результатов термогравиметрического и рентгенофазового анализа исходные оксиды и фториды РЗЭ при нагревании 573 К изменяют свой химический состав: оксиды за счет дегидратации, фториды из-за возможного протекания процесса пирогидролиза. Эти моменты отрицательно сказываются на качестве продуктов, получаемых при взаимодействии фторидов и оксидов РЗЭ.

Основным условием для синтеза оксофторидов РЗЭ является соблюдение соотношения LnF3 : Ln2O3 = 1:1, изменение которого может привести либо к гетерофазности, либо к получению фаз переменного состава. Поэтому понятна необходимость использования некоторых экспериментальных приемов для оптимизации условий проведения процесса взаимодействия LnF3 и Ln2O3.

Выбор оптимального режима проведения процесса синтеза с целью получения оксофторидов стехиометрического состава осуществляли на основании проведенных в данной работе исследований фазовых диаграмм.

Одновременно оценивали пригодность различных материалов для синтеза оксофторидов РЗЭ. Для синтеза использовали брикетированную шихту LnF3:Ln2O3=1:1 из предварительно прокаленных компонентов.

Брикетирование шихты проводили из двух соображений: скорость взаимодействия зависит от степени контакта реагентов (в брикете она максимальна) и прокаленный брикет (таблетка) уже готов для вакуумного испарения.

Установлено, что оксофториды РЗЭ стехиометрического состава получаются за один цикл в результате отжига брикетированной шихты при 1273 К в течение 3-4 часов лишь в том случае, когда компоненты соответствовали фториду и оксиду, что достигалось предварительной обработкой. Дальнейшее повышение температуры до 1473 К приводило, в случае европия и неодима к заметной убыли массы и стехиометрия при этом не соблюдалась. Поэтому, для получения оксофторидов этих элементов, оптимальной температурой следует считать 1273 К. Полученные таким образом оксофториды иттрия, лантана, празеодима, неодима и европия обладали ромбоэдрической структурой (табл.4.3.) и составом, который соответствовал формуле LnOF.

Результаты рентгенофазового анализа оксофторидов РЗЭ, 1273 К 3,143 3,110 2,692 2,471 2,080 1,912 1,895 1,631 1,62 1, 3,302 3,250 2,852 2,622 2,211 2,033 2,010 1,740 1,73 1, LaOF PrOF 3,267 3,228 2,810 2,583 2,178 1,993 1,971 1,704 1,69 1, NdOF EuOF Опасность нарушения стехиометрии состава при прокаливании в квазизамкнутом объеме, по сравнению с вакуумом, из-за возможного протекания пирогидролиза фторидов не возникала вследствие того, что оксофторида. Процесс можно представить схемой связанных реакций:

---------------------------------------LnF3 + Ln2O3 = 3LnOF, позволяющих оценить роль промежуточных газообразных продуктов в суммарном процессе твердофазного взаимодействия.

КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

1. Изучено термическое поведение фторидов и оксидов некоторых РЗЭ и пирогидролиза фторидов РЗЭ на воздухе и определены фазовые сканирующей микроскопии и ИК-спектроскопии доказано наличие связанной воды в кристаллической решетке EuF3nH2O.

соотношений компонентов в системе (Y)LnF3 – (Y)Ln2O3, уточнены фазовые диаграммы LnF3 – Ln2O3 (Ln=Y; Nd; Eu) на воздухе при 703 и 1273 К.

3. Впервые, построены фазовые диаграммы в субсолидусной области для систем YF3 –Y2O3 и GdF3 - Gd 2O3 при 1473К на которых указаны области существования оксофторидных фаз.

4. Идентифицированы оксофторидные фазы четырех структурных типов:

ромбоэдрического, тетрагонального, тригонального и ромбического.

Показано, что ромбоэдрические фазы имеют стехиометрический состав и отвечают формуле LnOF.