Synthesis of BiMn₇O₁₂ and its derivatives using a high-pressure method

Abstract

Työn kirjallisuusosa käsittelee nk. multiferromateriaaleja, eli materiaaleja joissa esiintyy useita ferro-ominaisuuksia (ferrosähköisyys, ferromagneettisuus). Näiden ominaisuuksien välillä vallitsee ainutlaatuinen korrelaatio, mikä mahdollistaa multiferromateriaalien käytön useissa uusissa sovelluksissa. Aiheen käsittelyssä on keskitytty yksifaasisiin materiaaleihin sekä substituution vaikutuksiin materiaalien ominaisuuksiin.

Työn kokeellisessa osassa syntetisoitiin BiMn7O12+delta, Bi(Mn1-xCux)3Mn4O12 sekä RMn7O12 -näytteitä, joista BiMn7O12+delta oli multiferromateriaali. Kaikki kolme systeemiä kuuluvat A-hilapaikan suhteen 1:3 järjestäytyneisiin perovskiitteihin, ja epätavallisen kiderakenteensa takia ne täytyi syntetisoida erittäin korkeissa paineissa. Työn kokeellinen osa tehtiin pääosin Tokion teknillisessä korkeakoulussa, missä oli käytettävissä kokeisiin tarvittu korkeapainelaite. Työn tavoitteena oli tutkia hapen määrän ja Cu-substituution vaikutusta BiMn7O12:n ominaisuuksiin sekä yrittää syntetisoida uusia, ennen syntetisoimattomia RMn7O12 -yhdisteitä.

Lähtöaineseoksen valmistuksessa kokeiltiin kahta erilaista menetelmää: kiinteän olomuodon menetelmä sekä märkäkemiallinen menetelmä. Kiinteän olomuodon menetelmä on yksinkertaisempi, mutta sitä käytettäessä lopputuotteiden faasipuhtaus ei ollut aivan yhtä hyvä kuin märkäkemiallisella menetelmällä.

Kahdella eri menetelmällä tehdyistä lähtöaineseoksista valmistetuista lopputuotteista määritettiin niiden rakenteelliset ja magneettiset ominaisuudet. BiMn7O12+delta -näytteiden hapen määrää onnistuttiin kasvattamaan tiettyyn rajaan saakka (delta = 0.3) ja happipitoisuuden kasvun havaittiin pienentävän materiaalin alkeiskopin tilavuutta ja muuttavan rakenteen symmetrian monokliinisestä lähes kuutiolliseksi. Bi(Mn1-xCux)3Mn4O12 -näytesarjan osalta syntetisoitiin x = 0.50 ja 0.75 -näytteet ensimmäistä kertaa; BiCu3Mn4O12-näytteen tulokset vastasivat hyvin aiemmin kirjallisuudessa raportoituja arvoja. RMn7O12 -sarjasta Nd-, Sm- ja Eu-faasit syntetisoitiin onnistuneesti, mutta synteesimenetelmää tulisi parantaa täysin faasipuhtaiden näytteiden saamiseksi. Lopuksi mitattiin BiMn7O12- ja BiCu3Mn4O12- näytteiden magneettiset ja sähköiset ominaisuudet.