Особенности кристаллической структуры Са-замещенных ферритов La1-xCaxFeO3-γ
Седых В.Д.
1, Русаков В.С.
2, Рыбченко О.Г.
1, Гапочка А.М.
2, Мацнев М.Е.
2, Топоркова А.А.
1, Иванов А.И.1, Кулаков В.И.1
1Институт физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна РАН, Черноголовка, Россия
2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия

Email: sedykh@issp.ac.ru, rusakovvs@mail.ru, orybch@issp.ac.ru, al-gap@physics.msu.ru, mike@haali.su, anna.toporkova@list.ru, aliv@issp.ac.ru, kulakov@issp.ac.ru
Поступила в редакцию: 25 мая 2025 г.
В окончательной редакции: 28 августа 2025 г.
Принята к печати: 29 августа 2025 г.
Выставление онлайн: 21 октября 2025 г.
Методами рентгеновской дифракции и мёссбауэровской спектроскопии исследованы в зависимости от содержания Са (x=0.0, 0.3, 0.5, 0.7, 1.0) особенности кристаллической структуры Са-замещенного феррита лантана La1-xСаxFeO3-γ. Изучены как исходно синтезированные образцы, так и после вакуумного отжига при 650 oC, когда происходит полный переход ионов Fe4+ в Fe3+. При концентрациях Ca x<0.5 формируется ромбическая фаза Pbnm, при больших концентрациях (x>0.5) - упорядоченные фазы Гренье (LaCa2Fe3O8) и браунмиллерит (Ca2Fe2O5). Из низкотемпературных мёссбауэровских данных для всех исследуемых образцов определены доля каждого валентного состояния Fe, количество кислородных вакансий и содержание кислорода. Исходный образец с x=0.5 имеет максимальное количество ионов Fe4+. В крайних состояниях, x=0 (LaFeO3) и x=1 (Ca2Fe2O5), ионы Fe находятся только в трехвалентном состоянии. Показано, что в исходных образцах с ростом концентрации Са меняется соотношение вкладов в мёссбауэровский спектр от различных структурных состояний ионов Fe3+ в сторону кислородных окружений, характерных для вакансионно-упорядоченных фаз. Вакуумный отжиг (когда нет ионов Fe4+) приводит к формированию менее дефектного локального окружения ионов Fe. Ключевые слова: ортоферриты, валентные состояния железа, кислородные вакансии, мёссбауэровская спектроскопия, рентгеноструктурный анализ.
- M. High, C.F. Patzschke, L. Zheng, D. Zeng, O. Gavalda-Diaz, N. Ding, K.H.H. Chien, Z. Zhang, G.E. Wilson, A.V. Berenov, S.J. Skinner, K.L. Sedransk Campbell, R. Xiao, P.S. Fennell, Q. Song. Nature Commun. 13, 1, 5109 (2022)
- S. Hu, L. Zhang, H. Liu, Z. Cao, W. Yu, X. Zhu, W. Yang. J. Power Sources 443, 227268 (2019)
- D. Mishra, J. Nanda, S. Parida, K.J. Sankaran, S. Ghadei. J. Sol-Gel Sci. Technol. 111, 2, 381 (2024). https://doi.org/10.1007/s10971-024-06452-3
- N. Suresh Kumar, K. Chandra Babu Naidu. J. Materiomics 7, 5, 940 (2021). https://doi.org/10.1016/j.jmat.2021.04.002
- X. Su, H. Shan, Y. Tian, W. Guo, P. Zhao, L. Xue, Y. Zhang. J. Environ. Chem. Eng. 13, 3, 116517 (2025)
- P. Goel, S. Sundriyal, V. Shrivastav, S. Mishra, D.P. Dubal, K.-H. Kim, A. Deep. Nano Energy 80, 105552 (2021). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105552
- E.K. Abdel-Khalek, D.A. Rayan, A.A. Askar, M.I.A. Abdel Maksoud, H.H. El-Bahnasawy. J. Sol-Gel Sci. Technol, 97, 1, 27 (2021)
- Y. Shin, K.-Y. Doh, S.H. Kim, J.H. Lee, H. Bae, S.-J. Song, D. Lee. J. Mater. Chem. A 8, 9, 4784 (2020). https://doi.org/10.1039/c9ta12734h
- J.B. Goodenough. In: Progress in Solid State Chemistry, v. 5 / Ed. H. Reiss. Pergamon, London (1971). P. 145
- J.B. Goodenough. In: Magnetism and the Chemical Bond, v. 1 / Ed. F. Albert Cotton. Interscience, London (1963). P. 154
- P.D. Battle, N.C. Gibb, S. Nixon. J. Solid State Chem. 79, 1, 75 (1989)
- В.Д. Седых, О.Г. Рыбченко, А.И. Дмитриев, В.И. Кулаков, А.М. Гапочка, В.С. Русаков. ФТТ 66, 11, 1973 (2024). [V.D. Sedykh, O.G. Rybchenko, A.I. Dmitriev, V.I. Kulakov, A.M. Gapochka, V.S. Rusakov. Phys. Solid State 66, 11, 1189 (2024).]
- M. Romero, R.W. Gomez, V. Marquina, J.L. Perez-Mazariego, R. Escamilla. Physica B 443, 90 (2014)
- S. Palimar, S.D. Kaushik, V. Siruguri, D. Swain, A.E. Viegas, C. Narayana, N.G. Sundaram. Dalton Trans. 45, 34, 13547 (2016)
- J.E. Auckett, G.J. McIntyre, M. Avdeev, H. De Bruyn, T.T. Tan, S. Li, C.D. Ling. J. Appl. Cryst. 48, 1, 273 (2015)
- R. Ghani, M.S. Mahboub, S. Zeroual, M. Mimouni, O. Ben Ali, B. Hani, M. Ghougali. Phys. Chem. Solid State 23, 2, 249 (2022)
- J. Grenier, N. Ea, M. Pouchard, M.M. Abou-Sekkina. Mater. Res. Bull. 19, 10, 1301 (1984)
- D.J. Goossens, L.S.F. Henderson, S. Trevena, J.M. Hudspeth, M. Avdeev, J.R. Hester. J. Solid State Chem. 196, 238 (2012). http://dx.doi.org/10.1016/j.jssc.2012.06.029
- V.A. Kolotygin, E.V. Tsipis, M.V. Patrakeev, J.C. Waerenborgh, V.V. Kharton. Mater. Lett. 239, 167 (2019). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2018.11.180
- В.Д. Седых, О.Г. Рыбченко, Н.В. Барковский, А.И. Иванов, В.И. Кулаков. ФТТ 63, 10, 1648 (2021). https://doi.org/10.21883/FTT.2021.10.51418.128 [V.D. Sedykh, O.G. Rybchenko, N.V. Barkovskii, A.I. Ivanov, V.I. Kulakov. Phys. Solid State 63, 10, 1775 (2021).]
- V. Sedykh, O. Rybchenko, V. Rusakov, S. Zaitsev, O. Barkalov, E. Postnova, T. Gubaidulina, D. Pchelina, V. Kulakov. J. Phys. Chem. Solids 171, 111001 (2022). https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2022.111001
- V. Sedykh, V. Rusakov, O. Rybchenko, A. Gapochka, K. Gavrilicheva, O. Barkalov, S. Zaitsev, V. Kulakov. Ceram. Int. 49, 15, 25640 (2023). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.05.105
- R.D. Shannon. Acta Cryst. A 32, 5, 751 (1976)
- M.E. Matsnev, V.S. Rusakov. AIP Conf. Proceed. 1489, 1, 178 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4759488
- В.Д. Седых, О.Г. Рыбченко, В.С. Русаков, А.М. Гапочка, А.И. Дмитриев, Е.А. Першина, С.В. Зайцев, К.П. Мелетов, В.И. Кулаков, А.И. Иванов. ФТТ 67, 1, 206 (2025)
- K. Zhou, H. Cao, K. Gao, J. Shen, Z. Lu, Z. Wu, M. Liu. Modern Phys. Lett. B 37, 35, 2350188 (2023)
- A.N. Nadeev, S.V. Tsybulya, E.Yu. Gerasimov, N.A. Kulikovskaya, L.A. Isupova. J. Structural Chem. 51, 5, 891 (2010)
- P.M. Price, N.D. Browning, D.P. Butt. J. Am. Ceram. Soc. 98, 7, 2248 (2015). https://doi.org/10.1111/jace.13474
- M. Vallet-Regi, J. Gonzalez-Calbet, M.A. Alario-Franco, J.-C. Grenier, P. Hagenmuller. J. Solid State Chem. 55, 3, 25l (1984)
- M.A. Alario-Franco, J.M. Gonzalez-Calbet, M. Vallet-Regi, J.-C. Grenier. J. Solid State Chem. 49, 2, 219 (1983)
- M.A. Alario-Franco, M.J.R. Henche, M. Vallet, J.M.G. Calbet, J.-C. Grenier, A. Wattiaux, P. Hagenmuller. J. Solid State Chem. 46, 1, 23 (1983)
- J.C. Grenier, L. Fourn\`es, M. Pouchard, P. Hagenmuller, S. Komornicki. Mater. Res. Bull. 17, 1, 55 (1982). https://doi.org/10.1016/0025-5408(82)90183-0
- G.A. Sawatzky, F. van der Woude. J. Physique Colloq. 35, C6, 47 (1974)
- В.И. Николаев, В.С. Русаков. Мёссбауэровские исследования ферритов. Изд-во Моск. Ун-та, М. (1985). 224 с
- Y. Shin, G. Galli. npj Comput. Mater. 9, 1, 218 (2023). https://doi.org/10.1038/s41524-023-01175-5
- T.C. Gibb. J. Solid State Chem. 74, 1, 176 (1988).