PHASE FORMATION AND PROPERTIES OF BISMUTH FERROTITANATES SUBSTITUTED BY HEAVY LANTHANIDE IONS (Tb, Er, Ho, Yb)

The purpose of this study was to investigate the effect of cation substitutions on the formation of Aurivillius phases at various annealing temperatures using solid-state synthesis. The phase formation of lanthanide bismuth ferrotitanates with the Aurivillius phase structure Ln2Bi3FeTi3O15, where Ln = Tb, Ho, Er, Yb, has been studied. The obtained samples were characterized by X-ray diffraction, infrared spectroscopy, differential thermal and thermo-gravimetric analysis, and their elemental composition was studied. The predominant for-mation of a phase with a pyrochlore structure was revealed in the entire series studied in the chosen synthesis conditions. The exception was the sample containing ytterbium(III) cations, in which phases of the pyrochlore type and layered perovskite with the Aurivillius structure coexist. The main pyrochlore-type phase in all samples crystallizes in the cubic syngony. It is shown that in the Ln2Bi3FeTi3O15 samples, where Ln = Tb, Ho, Er, the crystal lattice parame-ters decrease due to a decrease in the cationic radius of the Ln(III) ions. However, in the last sample of the studied series Yb2Bi3FeTi3O15, this pattern is violated because of Yb(III) ions distribution between the perovskite and pyrochlore phases. It has been established that the thermal effects observed in the samples Ln2Bi3FeTi3O15, where Ln = Tb, Ho, Er, can be at-tributed to an order-disorder phase transition in the pyrochlore structure. When studying the temperature behavior of a two-phase sample of Yb2Bi3FeTi3O15, two reversible phase transi-tions were revealed: a low-intensity thermal effect characterizes changes in the pyrochlore-type structure, and a more intense thermal effect can be attributed to a ferroelectric phase transition in the structure of a layered perovskite of the Aurivillius family.

Цель данного исследования состояла в изучении влияния катионных замещений на формирование фаз Ауривиллиуса при различных температурах термообработки в условиях твердофазного синтеза. Изучено фазообразование ферротитанатов висмута лантаноида со структурой фаз Ауривиллиуса состава Ln₂Bi₃FeTi₃O₁₅, где Ln = Tb, Ho, Er, Yb. Полученные образцы охарактеризованы методами рентгеновской дифракции, инфракрасной спектроскопии, дифференциально-термического и термогравиметрического анализа, кроме того, изучен их элементный состав. В выбранном режиме синтеза выявленно преимущественное формирование фазы со структурой пирохлора во всем изученном ряду, за исключением образца, содержащего катионы иттербия(III), в котором сосуществуют фазы пирохлорного типа и слоистого перовскита со структурой Ауривиллиуса. Основная во всех образцах фаза пирохлорного типа кристаллизуется в кубической сингонии. Показано, что в образцах Ln₂Bi₃FeTi₃O₁₅, где Ln = Tb, Ho, Er параметры кристаллической решетки уменьшаются, ввиду снижения катионного радиуса ионов Ln(III). Однако в последнем образце изученного ряда Yb₂Bi₃FeTi₃O₁₅ данная закономерность нарушается ввиду распределения ионов Yb(III) между фазами перовскита и пирохлора. Установлено, что проявляющиеся в образцах Ln₂Bi₃FeTi₃O₁₅, где Ln = Tb, Ho, Er, обратимые термоэффекты могут быть отнесены к фазовому переходу типа порядок-беспорядок в пирохлорной структуре. При изучении температурного поведения двухфазного образца Yb₂Bi₃FeTi₃O₁₅ выявлены два обратимых фазовых перехода: термоэффект с низкой интенсивностью характеризует изменения в структуре пирохлорного типа, а более интенсивный термоэффект можно отнести к сегнетоэлектрическому фазовому переходу в структуре слоистого перовскита семейства Ауривиллиуса.