О.М. Пономаренко, ГУСТИНА ЕЛЕКТРОННИХ СТАНІВ, ПИТОМИЙ ОПІР І ФАЗОВИЙ СКЛАД ПЕРОВСЬКІТУ CaTiO3 З ІЗОМОРФНОЮ ДОМІШКОЮ НІОБІЮ

https://doi.org/10.15407/mineraljournal.45.04.003

УДК 549.08

ГУСТИНА ЕЛЕКТРОННИХ СТАНІВ, ПИТОМИЙ ОПІР І ФАЗОВИЙ

СКЛАД ПЕРОВСЬКІТУ CaTiO3 З ІЗОМОРФНОЮ ДОМІШКОЮ НІОБІЮ

О.М. Пономаренко1, д-р геол. наук, акад. НАН України, директор

E-mail: pan.igmof@gmail.com; orcid: 0000-0002-5179-6091

Л.М. Степанюк1, д-р геол. наук, чл.-кор. НАН України, проф., заст. дир.

E-mail: stepaniuk@nas.gov.ua; orcid: 0000-0001-5591-5169 

А.С. Смоляр1, канд. техн. наук, старш. наук. співроб.

E-mail: smolyar@nas.gov.ua; orcid: 0009-0002-2201-6823

А.О. Бурхан1, канд. техн. наук, старш. наук. співроб.

E-mail: burhan.anatoliy@ukr.net; orcid: 0009-0002-3155-0171

O.M. Блощаневич2, наук. співроб.

E-mail: alex.bl337777@gmail.com; orcid: 0009-0008-3624-9082

А.І. Стегній2, наук. співроб.

E-mail: steg888999@gmail.com; orcid: 0009-0007-4082-4425

В.Л. Бекеньов2, старш. наук. співроб.

E-mail: alitub@ukr.net; orcid: 0009-0003-2438-4731

А.В. Степаненко1, 2, канд. фіз.-мат. наук, старш. наук. співроб.

E-mail: stepart6913@gmail.com; orcid: 0000-0003-2282-146X

В.Г. Хоменко3, д-р техн. наук, доцент 

E-mail: v.khomenko@i.ua; orcid: 0000-0003-0013-8010

М.П. Бродніковський2, канд. фіз.-мат. наук, зав. відділу

E-mail: nbrodnik@gmail.com; orcid: 0000-0001-7649-7373

Б.С. Хоменко4, пров. інженер

E-mail: bskhomenko40@gmail.com; orcid: 0009-0006-0707-7707

1 Інститут геохімії, мінералогії та рудоутворення ім. М.П. Семененка НАН України

03142, м. Київ, Україна, просп. Акад. Палладіна, 34

2 Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України

03142, м. Київ, Україна, вул. Омеляна Пріцака (Кржижанівського), 3

3 Київський національний університет технологій та дизайну

01011, м. Київ, Україна, вул. Мала Шияновська (Немировича-Данченка), 2

4 Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В.І. Вернадського НАН України

03142, м. Київ, Україна, просп. Акад. Палладіна, 32/34

Мова: англійська

Мінералогічний журнал 2023, 45 (4): 03-12

Анотація: Застосування матеріалів із структурою перовськіту сьогодні стало одним із найперспективніших підходів до розробки фотоелектричних систем. Розроблено методику високошвидкісного (до 15 хв) синтезу композиту (перовськіт CaTiO3 + рутил TiO2) з можливістю одночасного допування продукту. Було досліджено щільність електронних станів легованого ніобієм перовськіту (CaTiO3), особливості фазового складу та питомий опір композиту (CaTiO3 + TiO2). Розрахунки електронних станів густини CaTiO3, допованого ніобієм, показали, що за низької концентрації Nb зразки демонструють провідність, характерну для напівпровідників. Оскільки ніобій має на один валентний електрон більше ніж титан, то зі збільшенням його вмісту рівень Фермі зсувається в зону вільних станів. Такий зсув рівня Фермі повинен спричинити зміни характеру провідності допованих кристалів аж до переходу до металевої провідності за високої концентрації ніобію. Аналіз композиту (CaTiO3 + TiO2) методом рентгенівської дифракції показав, що використання ніобію як елемента допування значно прискорює реакцію синтезу CaTiO3 і підвищує концентрацію перовськіту в зразку: за температури 900 ºС протягом 5 хв синтезу концентрація CaTiO3 у зразку з ніобієм становить 83 % об., а у разі використання суміші без Nb вміст перовськіту становитиме лише 58 % об. за 12 хв. Методами рентгенофазового аналізу встановлено, що у випадку утворення твердого розчину (допування) виникає Ca(Ti,Nb)O3, в результаті чого отримують зразки (СаТіО3 + ТіО2) з питомим опором, властивим напівпровідникам.

Ключові слова: перовськіт, синтез, рентгенівські дослідження, допування, напівпровідник, провідність.

Література:

  1. Bellaiche L., Vanderbilt D. Virtual crystal approximation revisited: Application to dielectric and piezoelectric properties of perovskites. Phys. Rev. B. 2000. 61, Iss. 12. P. 7877—7882. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.7877
  2. Boutinaud P., Pinel E., Dubois M., Vink A.P., Mahiou R. UV-to-red relaxation pathways in CaTiO3 : Pr3+. J. Lumin. 2005. 111, Iss. 1—2. P. 69—80. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2004.06.006
  3. Cheng Z., Lin J. Layered organic-inorganic hybrid perovskites: structure, optical properties, film preparation, patterning and templating engineering. CrystEngComm. 2010. 12. P. 2646—2662. https://doi.org/10.1039/C001929A
  4. Council, UNDP; UN. WE Energy and the challenge of sustainability, 2000. New York: UNDP, 2000.
  5. Ehsan M. Ali, Naeem R., McKee V., Rehman A., Hakeem A.S., Mazhar M. Fabrication of photoactive CaTiO3-TiO2 composite thin film electrodes via facile single step aerosol assisted chemical vapor deposition route. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2019. 30. P. 1411—1424. https://doi.org/10.1007/s10854-018-0411-4
  6. Enerdata Global Energy Statistical Yearbook, 2018. URL: https://yearbook.enerdata.net/total-energy/world-consumption-statistics.... (дата звернення: верес. 2018).
  7. Giannozzi, P., Baroni, S., Bonini, N., Calandra, M., Car, R., Cavazzoni, C., Ceresoli, D., Chiarotti, G.L., Cococcioni, M., Dabo, I., Corso, A.D., Gironcoli, S., Fabris, S., Fratesi, G., Gebauer, R., Gerstmann, U., Gougoussis, C., Kokalj, A., Lazzeri, M., Martin-Samos, L., Marzari, N., Mauri, F., Mazzarello, R., Paolini, S., Pasquarello, A., Paulatto, L., Sbraccia, C., Scandolo, S., Sclauzero, G., Seitsonen, A.P., Smogunov, A., Umari, P., Wentzcovitch, R.M. Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. J. Phys.: Cond. Matter. 2009. 21, № 39. 395502 (19 p.). https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502
  8. Годовиков А.А. Минералогия. Москва: Недра, 1975. 520 с.
  9. Гороновский И.Т., Назаренко Ю.П., Некряч Е.Ф. Краткий справочник по химии. Киев: Наук. думка, 1974. 992 с.
  10. Gralik G., Thomsen A.E., Moraes C.A., Raupp-Pereira F., Hotza D. Processing and characterization of CaTiO3 perovskite ceramics. Processing and Application of Ceramics. 2014. 8, № 2. P. 53—57. https://doi.org/10.2298/PAC1402053G 
  11. Haksung L., Teruyasu M., Takahisa Y., Yuichi I. First Principles Study on Intrinsic Vacancies in Cubic and Orthorhombic CaTiO3. Materials Transactions. 2009. 50, Iss. 5. P. 977—983. https://doi.org/10.2320/matertrans.MC200813 
  12. Han C., Liu J., Yang W., Wu Q., Yang H., Xue X., Sol-Gel J. Photocatalytic activity of CaTi O3 synthesized by solid state, sol-gel and hydrothermal methods. Sci. Technol., 2016. 81. P. 806—813. https://doi.org/10.1007/s10971-016-4261-3 
  13. Hohenberg P., Kohn W. Inhomogeneous Electron Gas. Phys. Rev. 1964. 136, Iss. 3B. P. 864—871. https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.B864 
  14. Химическая энциклопедия. Гл. ред. И.Л. Кнунянц, Н.С. Зефиров. Москва: Изд. Советская энциклопедия, 1988. Т. 1. 623 с.
  15. Кржижановский Р.Е., Штерн З.Ю. Теплофизические свойства неметаллических материалов (Окислы). Ленинград: Энергия, 1973. 336 с.
  16. Куликов Б.Ф., Зуев В.В., Вайншенкер И.А., Митенков Г.А. Минералогический справочник технолога-обогатителя. Ленинград: Недра, 1985. 264 с.
  17. Li S., Li X., Yang J., Jiang Q., Lai H., Tan Y., Xiao B., Xu T. Improvement of photovoltaic performance of perovskite solar cells by modification with CaTiO3. J. Power Sources. 2020. 449. 227504. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227504
  18. Liao M., Liu Y., Mina L. Alloying effect on phase stability, elastic and thermodynamic properties of Nb-Ti-V-Zr high entropy alloy. Intermetallics. 2018. 101. P. 152—164. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2018.08.003
  19. Liu G., Yang B., Chen H., Zhao Y., Xie H., Yuan Y., Gao Y., Zhou C. In situ surface modification of TiO2 by CaTiO3 to improve the UV stability and power conversion efficiency of perovskite solar cells. Appl. Phys. Lett. 2019. 115. P. 213501-1—213501-5. https://doi.org/10.1063/1.5131300
  20. Lozano-Sánchez L.M., Lee Soo-Wohn, Sekino Tohoru, Rodríguez-González V. Practical microwave-induced hydrothermal synthesis of rectangular prism-like CaTiO3. CrystEngComm. 2013. 15. P. 2359—2362. https://doi.org/10.1039/C3CE27040H 
  21. Павлишин В.І., Довгий С.О. Мінералогія. Підручник. Київ: КМТ, 2008. 536 с.
  22. Павлишин В.І., Ворошилов Ю.В., Квасниця І.В. Мінералогія. Підручник. Київ: ВПЦ Київ. ун-т. 2017. 528 с.
  23. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple. Phys. Rev. Lett. 1996. 77, Iss. 18. P. 3865—3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
  24. Pereira S., Figueiredo A., Barrado C., Stoppa M., Dwivedi Y. Facile Microwave-Assisted Synthesis of Lanthanide Doped CaTiO3 Nanocrystals. J. Braz. Chem. Soc. 2015. 26, № 11. P. 2339—2345. https://doi.org/10.5935/0103-5053.20150229
  25. Пономаренко О.М., Смоляр А.С., Бурхан А.О., Малоштан С.М., Блощаневич О.М., Стегній А.І., Хоменко Б.С., Тітенко А.М. Синтез високотемпературних перовськітових порошків СаТіО3 для використання в сонячних елементах. Міжнар. наук. конф. "Матеріали для роботи в екстремальних умовах — 10" (10—11 груд. 2020, Київ, НТУУ "КПІ ім. Ігоря Сікорського"). Київ: ІМЗ ім. Є.О. Патона, 2020. С. 64—66.
  26. Quantum Espresso website. URL: http: www.quantum-espresso. org/pseudopotentials (Accessed: April. 2022).
  27. Rocha-Rangel E., López-Hernández J., Castello-Martínez J., Osorio-Ramos J.J., Calles-Arriaga C.A., Estrada-Guel I., Martínez-Sánchez R. Structure, Morphology and electrical properties of CaTiO3 ceramics synthesized by solid-state reaction method. Arch. metall. mater. 2018. 63, № 4. P. 1749—1753. https://doi.org/10.24425/amm.2018.125101
  28. Смоляр А.С., Бурхан А.О., Блощаневич О.М., Стегній А.І., Степаненко А.В., Бродніковський М.П., Тітенко А.М. Властивості напівпровідникової кераміки на основі перовськіту СаТіО3, отриманого швидкісним методом. Міжнар. наук. конф. "Матеріали для роботи в екстремальних умовах — 12" (15 груд. 2022, Київ, НТУУ "КПІ ім. Ігоря Сікорського"). Київ: ІМЗ ім. Є.О. Патона, 2022. С. 31—32.
  29. Смоляр А.С., Бурхан А.О., Пономаренко О.М., Малоштан С.М., Хоменко Б.С., Тітенко А.М. Подвійні оксиди з ТіО2 в якості сонячних перовськітових елементів. Міжнар. наук. конф. "Матеріали для роботи в екстремальних умовах — 9" (18—19 груд. 2019, Київ, НТУУ "КПІ ім. Ігоря Сікорського"). Київ, 2019. С. 10—13.
  30. Ueda K., Yanagi H., Hosono H., Kawazoe H. Carrier generation and compensation in Y- and Nb-doped CaTiO3 single crystals. Phys. Rev B. 1997. 56, Iss. 20. P. 1298—13005. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.12998
  31. Ворошилов Ю.В., Павлишин В.И. Основы кристаллографии и кристаллохимии. Рентгенография кристаллов. Киев: КНТ, 2011. 568 с.
  32. Yang H., Han C., Xue X. Photocatalytic activity of Fe-doped CaTiO3 under UV-visible light. J. Environ. Sci. 2014. 26, № 7. P. 1489—1495. https://doi.org/10.1016/j.jes.2014.05.015 
  33. Zeng Pu-jun, Yu Li-ping, Qiu Zhong-xian, Zhang Ji-lin, Rong Chun-ying, Li Cheng-zhi, Fu Zai-hui, Lian Shi-xun. Significant enhancement of luminescence intensity of CaTiO3:Eu3+ red phosphor prepared by sol-gel method and co-doped with Bi3+ and Mg2+. J. Sol-Gel. Sci. Technol. 2012. 64. P. 315—323 https://doi.org/10.1007/s10971-012-2860-1
  34. Zhang X., Zhang J., Ren X., Wang X. The dependence of persistent phosphorescence on annealing temperatures in CaTiO3 : Pr3+ nanoparticles prepared by a co precipitation technique. J. Solid State Chemistry. 2008. 181, № 3. P. 393—398. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2007.11.022
  35. Zhao H., Duan Y., Sun X. Synthesis and characterization of CaTiO3 particles with controlled shape and size. New J. Chem. 2013. 37. P. 986—991. https://doi.org/10.1039/C3NJ40974K

PDF

Ukrainian