Особливості спектрів інфрачервоного відбивання матеріалів на основі ZrO2 з різною кристалічною будовою
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe71.5.455Ключові слова:
ZrO2, кристалiчна структура, коливальнi спектри, iнфрачервона спектроскопiя вiдбивання, моделюванняАнотація
У цiй роботi продемонстровано застосування спектроскопiї iнфрачервоного вiдбивання для iдентифiкацiї кристалiчних фаз у матерiалах на основi ZrO2. Наведено експериментальнi спектри порошкiв та керамiки з рiзною будовою, а також запропоновано теоретичнi моделi для апроксимацiї спектрiв IЧ-вiдбивання на основi частотної залежностi дiелектричної проникностi, описаної формулою Гельмгольца–Кеттлера. Розрахунки виконувалися iз застосуванням спiввiдношень Крамерса–Кронiга. Для опису кубiчної, тетрагональної та моноклiнної фаз ZrO2 використовувалися моделi з одним, п’ятьма й сiмома осциляторами, вiдповiдно. Проведено моделювання з урахуванням коефiцiєнтiв затухання фононiв. Отриманi результати показали наявнiсть вираженого мiнiмуму вiдбивання у високочастотнiй областi спектра. Його спектральне положення вiдповiдає високочастотнiй межi смуги “залишкових променiв”, яка є специфiчною для рiзних фаз. Цей мiнiмум з’являється в дiапазонах 710–720 см−1 для кубiчного ZrO2, 790–800 см−1 для тетрагонального ZrO2 i 820–840 см−1 для моноклiнного ZrO2. Показано, що коефiцiєнти затухання фононiв впливають на форму спектра IЧ-вiдбивання, але чинять лише незначний вплив на спектральне положення високочастотного мiнiмуму. Цей фактор разом з аналiзом форми спектра може бути надiйним спектральним маркером для iдентифiкацiї кристалiчних фаз. Аналiз експериментальних спектрiв дав змогу оцiнити статичну й високочастотну дiелектричнi проникностi, частоти поперечних i поздовжнiх оптичних фононiв та вiдповiднi коефiцiєнти затухання для порошкiв i керамiки з рiзною кристалiчною будовою на основi ZrO2.
Посилання
1. N. Korsunska, L. Khomenkova. Multifunctional Zirconiabased Nanocomposites. In Solid State Composites and Hybrid Systems. Edited by R. Savkina, L. Khomenkova (CRC Press, 2018), p .28.
https://doi.org/10.1201/9781351176071-2
2. I.O. Polishko, Y.M. Brodnikovskyi, D.M. Brodnikovskyi, N.O. Lysunenko, O.M. Myslyvchenko, O.V. Dudnik, M.Yu. Smirnova-Zamkova, I.O. Marek, A.V. Kotko, O.D. Vasylyev, L.Yu. Khomenkova, R.V. Horda, L.L. Kovalenko, N.O. Korsunska, A.G. Bilous. ZrO2-based nanopowders for fuel cells and catalysis. In: 2022 IEEE 12th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), Krakow, Poland, 2022 (IEEE NAP-2022), p. 1.
https://doi.org/10.1109/NAP55339.2022.9934290
3. E.F. L'opez, V.S. Escribano, M. Panizza, M.M. Carnasciali, G. Busca. Vibrational and electronic spectroscopic properties of zirconia powders. J. Mater. Chem. 11, 1891 (2001).
https://doi.org/10.1039/b100909p
4. S.N. Basahel, T.T. Ali, M. Mokhtar, K. Narasimharao. Influence of crystal structure of nanosized ZrO2 on photocatalytic degradation of methyl orange. Nanoscale Res. Lett. 10, 73 (2015).
https://doi.org/10.1186/s11671-015-0780-z
5. N. Korsunska, M. Baran, A. Zhuk, Y. Polishchuk, T. Stara, V. Kladko, Y. Bacherikov, Y. Venger, T. Konstantinova, L. Khomenkova. Role of paramagnetic defects in light emission processes in Y-doped ZrO2 nanopowders. Mater. Res. Expr. 1, 045011 (2014).
https://doi.org/10.1088/2053-1591/1/4/045011
6. M. Asadikiya, Y. Zhong. Oxygen ion mobility and conductivity prediction in cubic yttria-stabilized zirconia single crystals. J. Mater. Sci. 53, 1699 (2017).
https://doi.org/10.1007/s10853-017-1625-1
7. Y. Wang, Z. Zhu, S. Ta, Z. Cheng, P. Zhang, N. Zeng, B.A. Goodman, S. Xu, W. Deng. Optical properties of yttria-stabilized zirconia single-crystals doped with terbium oxide. Crystals 12, 1081 (2022).
https://doi.org/10.3390/cryst12081081
8. D. Gazzoli, G. Mattei, and M. Valigi. Raman and X-ray investigations of the incorporation of Ca2+ and Cd2+ in the ZrO2 structure. J. Raman Spectrosc. 38, 824 (2007).
https://doi.org/10.1002/jrs.1708
9. Q. Xue, X. Huang, L. Wang, J. Dong, H. Xu, J. Zhang. Effects of Sc doping on phase stability of Zr1−xScxO2 and phase transition mechanism: First-principles calculations and Rietveld refinement. Mater. Design 114, 297 (2016).
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2016.11.020
10. K. Smits, D. Olsteins, A. Zolotarjovs, K. Laganovska, D. Millers, R. Ignatans, J. Grabis. Doped zirconia phase and luminescence dependence on the nature of charge compensation. Sci. Rep. 7, 44453 (2017).
https://doi.org/10.1038/srep44453
11. K. Park, S.J. Yoon, J.W. Pi. Tunable photoluminescence properties of nano-sized Zr1−xO2 : xDy3+ phosphors. Dyes Pigm. 143, 317 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2017.04.042
12. S.K. Tadokoro, E.N.S. Muccillo. Synthesis and characterization of nanosized powders of yttria-doped zirconia. J. Alloys Compound. 344, 186 (2002).
https://doi.org/10.1016/S0925-8388(02)00337-7
13. K. Smits, A. Sarakovskis, L. Grigorjeva, D. Millers, J. Grabis. The role of Nb in intensity increase of Er ion upconversion luminescence in zirconia. J. Appl. Phys. 115, 213520 (2014).
https://doi.org/10.1063/1.4882262
14. O. Marie, X. Portier, N. Korsunska, L. Khomenkova. CO-PROX reactions on copper Y2O3-ZrO2 catalysts prepared by a single step co-precipitation technique. Appl. Catal. B 278, 119258 (2020).
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2020.119258
15. L. Khomenkova, O. Marchylo, Y. Polishchuk, S. Ponomaryov, O. Isaieva, I. Vorona, L. Melnichuk, X. Portier, O. Melnichuk, N. Korsunska. Effect of dopant loading and calcination conditions on structural and optical properties of ZrO2 nanopowders doped with copper and yttrium. Mater. Res. Exp. 11, 065005 (2024).
https://doi.org/10.1088/2053-1591/ad51d9
16. M.A. Waghmare, K.S. Pawar, H.M. Pathan, A.U. Ubale, Influence of annealing temperature on the structural and optical properties of nanocrystalline zirconium oxide Mater. Sci. Semicond. Process. 72, 122 (2017).
https://doi.org/10.1016/j.mssp.2017.09.036
17. A. Feinberg, C.H. Perry. Structural disorder and phase transitions in ZrO2-Y2O3 system. J. Phys. Chem. Sol. 42, 513 (1981).
https://doi.org/10.1016/0022-3697(81)90032-9
18. C.H. Perry, F. Lu, D.W. Liu, B. Alzyab. Phonons and phase transitions in zirconia. J. Raman Spectrosc. 21, 577 (1990).
https://doi.org/10.1002/jrs.1250210909
19. C.M. Phillippi, K.S. Mazdiyasni. Infrared and Raman spectra of zirconia polymorphs. J. Am. Ceram. Soc. 54, 254 (1971).
https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1971.tb12283.x
20. N. Korsunska, M. Baran, I. Vorona, V. Nosenko, S. Lavoryk, Y. Polishchuk, V. Kladko, X. Portier, L. Khomenkova. Effect of cooling rate on dopant spatial localization and phase transformation in Cu-doped Y-stabilized ZrO2 nanopowders. Phys. Status Solidi C 14, 1700183 (2017).
https://doi.org/10.1002/pssc.201700183
21. L. Khomenkova, D. Lehninger, O. Kondratenko, S. Ponomaryov, O. Gudymenko, Z. Tsybrii, V. Yukhymchuk, V. Kladko, J. Von Borany, J. Heitmann. Effect of Ge content on the formation of Ge nanoclusters in MagnetronSputtered GeZrOx-based structures. Nanosc. Res. Lett. 12, 196 (2017).
https://doi.org/10.1186/s11671-017-1960-9
22. D. Khomenkov, D. Lehninger, L.Yu. Melnichuk, J. Heitmann, O.V. Melnichuk. Spectroscopic characterization of thermostimulated transformation of thin films based on transition metal oxides doped with germanium. J. Nano Electron. Phys. 17, 06033 (2025).
https://doi.org/10.21272/jnep.17(6).06033
23. N. Korsunska, M. Baran, I. Vorona, V. Nosenko, S. Lavoryk, X. Portier, L. Khomenkova. Impurity governed modification of optical and structural properties of ZrO2-based composites doped with Cu and Y. Nanosc. Res. Lett. 12, 157 (2017).
https://doi.org/10.1186/s11671-017-1920-4
24. C. Pecharrom'an, M. Oca˜na, C.J. Serna. Optical constants of tetragonal and cubic zirconias in the infrared. J.Appl. Phys. 80, 3479 (1996).
https://doi.org/10.1063/1.363218
25. I.V. Venger, E.F. Venger, L.Yu. Melnychuk, O.V. Melnychuk. Anisotropy of Surface Plasmon-Phonon Polaritons in ZnO and 6H-SiC Single Crystals (Naukova Dumka, 2020) (in Ukrainian).
26. O. Melnichuk, L. Melnichuk, E. Venger. Phonon and plasmon-phonon interactions in ZnO single crystals and thin films. In: Oxide-Based Materials and Structures. Edited by R. Savkina, L. Khomenkova (CRC Press, 2020), p. 163.
https://doi.org/10.1201/9780429286728-7
27. O.V. Melnichuk, N.O. Korsunska, I.V. Markevich, V.V. Boyko, Yu.O. Polishchuk, Z.F. Tsybrii, L.Yu. Melnichuk, Ye.F. Venger, V.P. Kladko, L.Yu. Khomenkova. Peculiarities of specular infrared reflection spectra of ZnObased ceramics. Semicond. Phys. Quant. Electron. Optoelectron. 24, 390 (2021).
28. M. Sternik, K. Parlinski. Lattice vibrations in cubic, tetragonal, and monoclinic phases of ZrO2. J. Chem. Phys. 122, 064707 (2005).
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
