Synthese, Einkristallstruktur und Gitterkonstanten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Synthese und Züchtung bekannter RCOB-Kristalle ist in einem breiten Bereich von Seltenerden bis hin zu Er gelungen. Eine Charakterisierung der Kristalle, vor allem von elektromechanischen Eigenschaften, erfolgte durch die Projekte B und C. Die Synthese stabiler Oxoborate, die isostrukturell zu den RCOB-Boraten sind, kann teilweise als möglich eingeschätzt werden. Während sich Ca bei einer einfachen Substitution durch Sr bis zu 50 % ersetzen lässt, gilt dies für die gekoppelte Substitution von Na und einem Seltenerd nur sehr begrenzt. Es entstehen ohne Zweifel Oxoborate, in denen voraussichtlich eine gewisse Menge an Na eingebaut werden kann (z. B. Gd(Ca2GdNa)O(BO3)3), jedoch sind diese Borate entweder chemisch instabil oder aber es entstehen verschiedene (Oxo-)Boratphasen. Eine Substitution von Ca durch Sr, einem Seltenerd und Na gelang nicht. Die strukturelle Charakterisierung der synthetisierbaren RCa2-xSrxCa2O(BO3)3 (x=1, 2) zeigt eine weiterhin deutliche Fehlbesetzung aller Kationenpositionen. Ein geordneter Zustand konnte somit nicht erreicht werden. Inwiefern eine Substitution mit anderen Elementen erfolgreich sein kann (z. B. Bi + Na, Eu2+) bleibt offen, ist aber wahrscheinlich eine große Herausforderung. Erfolgreich war die Züchtung weiterer RCOB (R = Nd, Er). Die festgestellte Glasphasentransformation wirkt sich aber gerade auf die Abkühlkurve deutlich aus. Während kleine Seltenerden eher geringe Änderungen in der Dehnung erfahren, sind diese bei großen Seltenerden deutlicher ausgeprägt (siehe Projekt C). Dies führt zum Teil zu erheblich längeren Abkühlphasen, da sonst in den Kristallen Spannungen auftreten, die den Kristall während der Abkühlung zerreißen. Dies ist bei der Züchtung neben der Einstellung anderer Parameter dringend zu beachten. Die strukturelle Betrachtung der RCOB führte zu zwei wichtigen Erkenntnissen. Zum einen konnte das vermutete Verhalten der Fehlordnung auf den Kationenplätzen R, X und Z bestätigt werden. Welche Gitterplätze bei der Besetzung fehlgeordnet werden, ist stark vom eingesetzten Seltenerdelement abhängig. Dabei zeigen in situ wie auch ex situ Daten (siehe Projekt C), dass es eine deutliche Abhängigkeit der Fehlordnung von der Temperatur gibt. Die Fehlordnung der in situ Daten legt nahe, dass es sich um eine Ordnungs-Unordnungstransformation handelt. Die Fehlordnung nimmt fast sprunghaft ab einer bestimmten Temperatur zu, die sich im selben Temperaturbereich in der thermischen Dehnung durch eine Änderung der Ausdehnungskoeffizienten bemerkbar macht. Die Auswirkungen der erhöhten Kationenbeweglichkeit auf elektromechanische Eigenschaften wurden eingehender von den Projekten B und C untersucht.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2018): Growth and structural aspects of RCOB crystals, IFAAP Joint Conference Hiroshima
Reuther, C., Hengst, M., Mehner, E., Stöcker, H., Münchhalfen, M., Götze, J., Meyer, C. and Schreuer, J.
- (2019) Order/disorder processes and electromechanical properties of monoclinic GdCa4O(BO3)3. Zeitschrift für Kristallographie
Münchhalfen, M., Schreuer, J., Reuther, C., Möckel, R., Götze, J., Mehner, E., Stöcker, H., Meyer, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1515/zkri-2019-0026)
