foglalkozó területe. Az itt – majd a későbbi rokon
vegyületnél – feltüntetett, oxigénre vonatkozó értékek e konkrét
vizsgált mintákra vonatkozó mért mennyiségek.)

4. ábra • A perovszkit (CaTiO3)
elemi cellájának szerkezete (ún. ABO3 típus), a B
kationpozíció oxigénkörnyezetének kiemelésével
Ha a kationok cseréjét folytatjuk, elérhetünk a Sr0,95Ca0,05Fe0,5Co0,5O2,67
összetételű perov-szkithoz, ahol az oxigénsztöchiometria már
lényegesen három alatt van, így a kobalt, illetve a vas egy része
biztosan hármas oxidációs állapotban van. Kérdés: vajon melyik?
Általában is feltehető a kérdés, hogy az ilyen kationhelyettesítések
esetén teljesen véletlenszerű a kationok eloszlása az egyébként köbös
szerkezetét megtartó rácsban, vagy van valamiféle preferencia (pl.
valamelyik kation több vakancia környezetét preferálja). Az Sr és a Ca
keveredését illetően a Mössbauer-spektroszkópia nem ad közvetlen
információt, de a Fe és a Co esetén erre lehetőség kínálkozik.
Ehhez fontos tudni, hogy az 57Fe-Mössbauer-spektroszkópiában
az alkalmazott sugárforrás 57Co, ami elektronbefogásos
bomlással állítja elő az 57Fe gerjesztett nívóját. Az
elektronbefogás felezési ideje kilenc hónap, és ez is fontos a
gyakorlati alkalmazhatóság szempontjából (a 14,4 keV-os nívó felezési
ideje mikroszekundumnál is kisebb). Kihasználva, hogy
Mössbauer-spektrumok felvételénél a sugárforrás és az abszorber
szerepe felcserélhető, megtehetjük, hogy standard sugárforrás és
tetszőleges mért abszorber helyett standard abszorbert és tetszőleges
sugárforrást alkalmazunk. Ezt hívjuk emissziós Mössbauer-mérési
technikának (továbbiakban: EMS). A szimmetriát persze lerontja, hogy a
forrás nem vas! Ezért ha a vizsgált anyag tartalmazza a radioaktív
kobaltot, akkor számolni kell az elektronbefogásos bomlás keletkező
57Fe atom környezetét érintő romboló hatásával, ami esetleg
látszhat a Mössbauer-spektrumban. Esetünkben – a részletek ismertetése
nélkül – leszögezhetjük, hogy a vizsgált anyagban érvényes nagy
elektronmobilitásnak köszönhetően ilyen veszélytől nem kell tartani.
Ugyanakkor vegyük észre, hogy EMS-mérés esetén a vizsgált rácspozíció
a kobaltatom környezete. Megint mellőzve a részletes magyarázatot
megállapítható, hogy az elektronbefogás által keletkezett ún.
nukleogén 57Fe ligandumkörnyezete megfelel az 57Co
anyaelemének (mivel az oxigén diffúziósebessége nem elég a gyors
átrendeződéshez – ha arra egyáltalán szükség van), így arról közvetít
információt.
Az előbbiek fényében adódik tehát a lehetőség: ha
hagyományos elrendezésben (transzmissziós mérés, továbbiakban TMS) a
Mössbauer-spektrum a vasatomok környezetéről ad információt, EMS
esetén pedig a kobaltatomok környezetéről, akkor
megválaszolható az a kérdés, hogy vajon a köbös szerkezetet megőrző Sr0,95Ca0,05Fe0,5Co0,5O2,67
perovszkitban a vas és a kobalt teljesen véletlenszerűen oszlik el a
kristályrácsban, vagy van különbség a kémiai környezetük között. A
mérések értelmezésénél fontos, hogy a vizsgált anyag vas- és
kobalttartalma megegyezik, és így a pusztán ebből adódó különbség
kizárható.
Az 5. ábra két
spektrumpárt mutat. A bal oldali spektrumpár a frissen szintetizált
anyagról készült, míg a jobb oldali szén-dioxiddal való reakció után.
(Ennek az anyagnak kiugróan magas a szén-dioxid-megkötő képessége, ami
az ipari szén-dioxid-kibocsátás szabályozásában játszhat majd szerepet
a jövőben.)
Már az eredeti anyagon is látszik, hogy a két
spektrum nem azonos. Ez annak a bizonyítéka, hogy ebben a vegyületben
a vasatomok és a kobaltatomok kémiai környezete nem egyezik meg. A
reakció utáni különbség a Co és a Fe (oxid) eltérő reakciókészségével
magyarázható.
Az eredeti anyagban fellépő különbségre számos
modellt állítottunk fel, amelyek összevetése a
Mössbauer-paraméterekkel, illetve az észlelt spektrumkomponensek
számával és intenzitásával azt mutatta, hogy a teljesen rendezetlen
eloszlás helyett a Co- és a Fe-atomok lokálisan rétegszerűen
rendeződnek (Homonnay et al., 2002; Juhász et al., 2001; Nomura et
al., 2002). Ezek a rétegzett szerkezetek olyan kisméretűek, hogy a tér
különböző irányai szerint kiátlagolódva a röntgendiffrakciós elemzés
csak köbös struktúrát lát.
A Sr0,5Ca0,5Fe0,5Co0,5O2,47
perovszkit vizsgálata
A Sr0,5Ca0,5Fe0,5Co0,5O2,47
annyiban különbözik a Sr0,95Ca0,05Fe0,5Co0,5O2,67-től,
hogy az „A” rács-pozícióban a Sr felét cseréltük le Ca-ra, aminek az
lett az eredménye, hogy az oxigénsztöchiometria tovább süllyedt,
lényegében O2,5-ig, ami a „B” pozícióban lévő atomokra 3-as
oxidációfokot jelent. A rácsszerkezet megfelel a brownmilleritének,
amelynek összetétele Ca(Al,Fe)O2,5. Ez egy réteges
szerkezet, amit úgy lehet elképzelni, hogy a perovszkitszerkezetet
képzeletben síkokra osztjuk, és minden második síkból eltávolítjuk az
oxigénatomok felét. Így az érintetlen síkokban marad a „B” kationok
(esetünkben Fe és Co) oktaéderes koordinációja, míg a többiben csak
tetraéderes koordinációra van lehetőség.
A kérdés máris adott: ha a „B” kationoknak éppen a
fele Co, a fele Fe, vajon egyikük a tetraéderes pozíciókat részesíti
előnyben, a másik pedig az oktaédereset? Vagy teljesen véletlenszerű
az eloszlás?
A Mössbauer-spektrumok megint
tudnak segíteni. Ráadásul, ebben az anyagban a „B” kationpozícióban
mágneses tér is van (ez az anyag egy antiferromágnes). Ez
informatívabbá teszi a spektrumot, mert egy kémiai környezetet
mindjárt hat vonal azonosít, és az átfedések is kisebbek. Ismert, hogy
a tetraéderes környezetben kisebb, az oktaéderes környezetben pedig
nagyobb a mágneses felhasadás. A 6. ábrán
az EMS-spektrumok láthatók az eredeti és két különböző hőmérsékleten
lefolytatott szén-dioxidos reakció után (Juhász et al., 2001; Nomura
et al., 2002). A spektrumokat két szextettre és egy középütt
elhelyezkedő kvadrupólus dublettre bontottuk fel. Számunkra a két
szextett érdekes, és mindkét szextett bal szélső vonalát érdemes
összehasonlítani, mivel azok különülnek el a legjobban. Látható, hogy
a nagyobb felhasadású szextett vonala (ez balról a legelső vonal)
kevésbé intenzív. Ez a szextett tartozik az oktaéderes
környezetekhez, és mivel az EMS-mérés a Co-környezetekről szól,
megállapíthatjuk, hogy a Co ebben a kristályszerkezetben a tetraéderes
környezetekben fordul elő nagyobb valószínűséggel.
Természetesen, ha az emissziós mérések ezt mutatják, akkor a
transzmissziós méréseknek is összhangban kell ezzel lenniük. Valóban,
a 7. ábra tanúsága szerint, ha
megtekintjük a legfelső spektrumot, akkor a szextettek
intenzitásviszonya éppen fordított!
A szén-dioxiddal történő reakció szintén nagyon
érdekes eredményt szült, hiszen az látható, hogy az EMS-esetben a
spektrumok lényegében nem változtak, míg a TMS-esetben még egy
harmadik szextett is megjelent, és a korábbi kettő intenzitásviszonya
kiegyenlítődött. Ebből arra következtettünk, hogy a szén-dioxiddal
tulajdonképpen a vas reagált, míg a kobalt visszamaradt egy tisztán
kobaltot tartalmazó brownmillerit fázisban:
2(Sr,Ca)2FeCoO5 + CO2 =
= (Sr,Ca)CO3 + (Sr,Ca)Fe2O4 + (Sr,Ca)2Co2O5
Ez tökéletes összhangban van azzal, hogy a Co jobban kedveli az
alacsonyabb koordinációs számot, mint a vas, hiszen a (Sr,Ca)Fe2O4
spinell ferritben minden vas (Fe3+) oktaéderes környezetben
van.
A La0,8Sr0,2CoO vizsgálata
A La0,8Sr0,2CoO3-δ ugyancsak
perovszkit szerkezettel jellemezhető, és attól különlegesebb az előző
példáknál, hogy itt az „A” kationpozícióba nem kettes, hanem hármas
oxidációfokú elemet helyettesítünk (lantánt). Ez még bonyolultabb
vakanciaszerkezethez, illetve az oxidációfokok megváltozásához
vezethet. SrCoO3 ugyanis nem létezik (értsd: egy vegyület
tisztán négyes oxidációfokú kobalttal), de létezik LaCoO3
tisztán CoIII-mal (a római szám az oxidációfokot jelöli). Ugyanakkor,
innen indulva, valamennyi Sr-helyettesítés (esetünkben 20%)
kikényszeríthet valamennyi CoIV-állapotot, mivel a Sr kizárólag SrII
hajlandó lenni. (Az „O3-δ” megjelölés arra utal, hogy
tudjuk, hogy az oxigénsztöchiometria nem éri el a 3-at, de annak
közelében van.)
Mindennek ott van jelentősége, hogy a La0,8Sr0,2CoO3-δ
ún. kolosszális mágneses ellenállású anyag, vagyis hogy viszonylag kis
mágneses tér hatására elektromos ellenállása jelentősen megváltozik
(ilyeneket előszeretettel használnak mágneses adathordozók
olvasófejeiben, hiszen ez nem más, mint mágneses-elektromos
jelkonverzió). Ez a tulajdonsága pedig a CoIII és CoIV
állapotok kölcsönhatásához köthető (kettős kicserélődés).
Ezt az anyagot számos különböző szintézis,
oxigénezettségi állapot, esetleg vastartalom és hőmérséklet esetén
vizsgáltuk (Homonnay et al., 2003; Klencsár et al., 2004; Németh et
al., 2007ab). Megállapításaink két olyan felfedezés köré
csoportosíthatók, amelyek tipikusan csak Mössbauer-módszerrel voltak
elérhetők.
Az egyik eredményünk annak kimutatása, hogy a
hőmérséklet csökkenésével mágneses átalakulás megy
végbe: a paramágneses állapot ferromágnesessé alakul. Az átalakulásban
az a különleges, hogy igen tág hőmérséklet-intervallumban zajlik.
A másik „felfedezés” azt jelentette, hogy
észrevettük: bár spinek rendeződése általában nem jár az
elektronsűrűség megváltozásával, esetünkben a paramágneses és a
ferromágneses fázisban mért izomereltolódás értéke különbözött (8.
ábra). Ez azon túl, hogy összhangban van azzal, hogy a
mágneses átalakulás elektronszerkezeti változással jár, és ezért van
kolosszális mágneses ellenállás, azt is igazolta, hogy a
vezetőképesség növekedése (ezt az izomereltolódás csökkenése jelzi,
mivel a vas 3d pályáján lokalizált elektronok egy része
delokalizálódik) kizárólag a ferromágneses klasztereknek köszönhető,
és nem egy átlagos tömbfázis-sajátosság.
Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a
Mössbauer-spektroszkópia annak ellenére, hogy nagy energiájú sugárzást
használ fel mérési célra, rendkívül csekély kémiai különbségek
kimutatására is alkalmas lehet adott rendszerek esetén. A tárgyalt
rendszerek még számos olyan vegyületet foglalnak magukban, amelyek
vizsgálata jelentős technológiai fejlesztéseket szolgálhat.
Kulcsszavak: Mössbauer-spektroszkópia, emissziós Mössbauer-mérés,
perovszkit, ferrát, kobaltát, kolosszális mágneses ellenállás,
széndioxid-abszorber
IRODALOM
Homonnay Zoltán – Nomura K. – Juhász G. –
Gál M. – Sólymos K. – Hamakawa S. – Hayakawa T. – Vértes A. (2002):
Simultaneous Probing of the Fe- and Co-sites in the CO2-absorber
Perovskite Sr0.95Ca0.05Co0.5Fe0.5O3-d: A Mössbauer Study. Chemistry of
Materials. 14, 1127–1135. DOI: 10.1021/cm011190v
Homonnay Zoltán – Klencsár Z. – Kuzmann E.
– Németh Z. – Rajczy P. – Kellner K. – Gritzner G. – Vértes A. (2003):
Study of (Ln Sr)(Fe Co)O3-d Type CMR Materials by 57Co Emission
Mössbauer Spectroscopy. Solid State Phenomena. 90–91, 165–170. DOI:
10.4028/www.scientific.net/SSP.90-91.165
Juhász G. – Homonnay Z. – Nomura K. –
Hayakawa T. – Hamakawa S. – Vértes A. (2001): Microstructural Study of
the CO2-absorption in SrxCa1-xFe0.5Co0.5O3-d. Solid State Ionics. 139,
219–231. DOI:10.1016/S0167-2738(01)00690-7
Klencsár Z. – Németh Z. – Homonnay Z. –
Kuzmann E. – Gritzner G. – Cziráki Á. – Kotsis I. – Nagy M. – Vértes
A. (2004): Colossal Magnetoresistance in Focus: Studies of Different
CMR Materials by Mössbauer Spectroscopy. Journal of Nuclear and
Radiochemical Sciences. 5, R1–R8. •
WEBCÍM >
Németh Z. – Homonnay Z. – Árva F. –
Klencsár Z. – Kuzmann E. – Hakl J. – Vad K. – Mészáros S. – Kellner K.
– Gritzner G. – Vértes A. (2007a): Mössbauer and Magnetic Studies of
La0.8Sr0.2CoO3-d CMR Perovskite. Journal of Radioanalytical and
Nuclear Chemistry. 271, 11–17. •
WEBCÍM >
Németh Z. – Homonnay Z. – Árva F. –
Klencsár Z. – Kuzmann E. – Vértes A. – Hakl J. – Mészáros S. – Vad K.
– de Châtel, P. F. – Gritzner G. – Aoki, Y. – Konno, H. – Greneche, M.
(2007b): Response of La0.8Sr0.2CoO3-delta to Perturbations on the CoO3
Sublattice. European Physical Journal B. 57, 257–263. •
WEBCÍM >
Nomura, Kiyoshi – Homonnay Z. – Juhász G.
– Vértes A. – Donen, H. – Sawada, T. (2002): Mössbauer Study of
(Sr,Ca)(Fe,Co)O3-d for Rapid CO2 Absorption at High Temperatures.
Hyperfine Interactions. 139, 297–305. •
WEBCÍM >
|