MTA Energiatudományi Kutatóközpont Új típusú optimalizált ritkaföldfém rendszerek karakterizálása neutron és röntgen szinkrotron forrással Fábián Margit MTA Energiatudományi Kutatóközpont fabian.margit@energia.mta.hu NCM12 Trento 2013

Ritkaföld-fémek (RFF) Gépjármű-katalizátor: La, Ce Mágnesek: Nd, Dy Katonai technológia: Sm, La, Nd… Mo Könnyen ötvözhető, Szilárdsága magas hőmérsékleten is nagy, Lágyabb, mint az acél, és kovácsolható, Hővezető képessége kétszer akkora, mint az acélé, Könnyen lemezzé, huzallá, rúddá, csővé alakítható… Kristályos Mo-RFF rendszereket fizikai-kémiai tulajdonságuk miatt széles körben alkalmazzák: nem lineáris optika lézerek előállítása nagy ion- és elektromos vezetőképesség katalitikus aktivitás jó mechanikai ellenállóképesség

Amorf Mo-RFF minta? Mo szerepe? Milyen szerkezet?

90%MoO3-10%Nd2O3 80%MoO3-15%Nd2O3-5%MgO 75%MoO3-12.5%Nd2O3-12.5%MgO Minta-sorozatok: 90%MoO3-10%Nd2O3 módosító oxid ??? 80%MoO3-15%Nd2O3-5%MgO 75%MoO3-12.5%Nd2O3-12.5%MgO üveg képző oxid 50%MoO3-25%Nd2O3-25%B2O3 40%MoO3-30%Nd2O3-30%B2O3 20%MoO3-30%Nd2O3-50%B2O3 30%MoO3-50%ZnO-20%B2O3 20%MoO3-50%ZnO-30%B2O3 10%MoO3-50%ZnO-40%B2O3

Fázisdiagram O Nd B O O Mo 50MoO3-25Nd2O3-25B2O3 90MoO3-10Nd2O3 L Aleksandrov, R Iordanova, Y Dimitrie JNCS 355 2023 2009

Mintaelőállítás: elektromos felfűtésű kemencében olvasztással 1. lépés üveg olvadása 950-1200ºC, 1-2 óra gyors hűtés; 103-105K/s 2. lépés üveg olvadása 1100-1300ºC, 2-3,5 óra hűtés: szobahőmérséklet - golyós achátmalomban őrlés Mo-Nd-O Mo-Nd-Mg(B)-O Mo-Nd-O Mo-Nd-B-O Mo-Zn-B-O - B-11 izotópos minták – a természetes B (10B) nagy neutron abszopciója miatt (B2O3) - amorf, stabil minták

szerkezet módszerek: kérdések: rövid- & középtávú rend atomi távolságok & koordinációs számeloszlások & atomi szögeloszlás módszerek: neutron & röntgen diffrakció Fordított (Reverse) Monte Carlo szimuláció

Neutrondiffrakció Röntgendiffrakció 7C2, Saclay HIPD, Los Alamos PSD, Budapest HIPD, Los Alamos =1.07 Å Q=0.45-10 Å-1 =0.15-4 Å Q=0.7-35 Å-1 =0.726 Å Q=0.52-18 Å-1 Röntgendiffrakció BW5, Hamburg ID22, Grenoble Q=0.5-25 Å-1 109.5 keV Q=0.8-22 Å-1 70.8 keV

Fordított Monte Carlo (RMC) szimuláció Adatfeldolgozás: Fordított Monte Carlo (RMC) szimuláció az RMC szimulációval modellezhetjük az atomok elhelyezkedését részecskék 3D konfigurációjának felépítése az illesztés megkötései: az atomi sűrűség, két atom közötti legkisebb távolság (cut-off), koordinációs kényszer χ2new< χ2old exp(-(χ2new- χ2old)/2) gij(r) parciális atomi párkorrelációs függv. Sij(Q) parciális szerkezeti függv. S(Q) szerkezeti függv.

RMC modellezéssel illesztett ND&XRD szerkezeti függvények Alkalmazott kényszerek: sűrűség, cut-off távolságok Mo-Nd-Mg(B)-O ND: PSD&HIPD XRD: BW5 RMC Kísérleti

Parciális párkorrelációs függvények

Parciális párkorrelációs függvények

Koordinációs szám eloszlás RMC-ből számolva Nd O

Másodszomszéd távolságok

Tetraéderes SiO4 szögek: Kötésszög eloszlások az RMC konfigurációból Tetraéderes SiO4 szögek: O-Si-O - 109,5o Si-O-Si - 147o

RMC modellezéssel illesztett szerkezeti függvények Alkalmazott kényszerek: sűrűség, cut-off távolságok, koordinációs kényszer: B atomra Mo-Nd-B-O ND: PSD&7C2 -1 XRD: ID22

Parciális párkorrelációs függvények és koordinációs szám eloszlások: 90Mo-10Nd, 50Mo-25Nd-25B, 40Mo-30Nd-30B, 20Mo-30Nd-50B

Karakterisztikus másodszomszéd távolságok Mo B O Mo-O-B vegyes láncok

RMC modellezéssel illesztett szerkezeti függvények Alkalmazott kényszerek: sűrűség, cut-off távolságok, koordinációs kényszer: B atomra Mo-Zn-B-O

Parciális párkorrelációs függvények

Másodszomszéd távolságok és kötésszög eloszlások – RMC szimulációból számolva

trigonális BO3 és tetraéderes BO4 eységek kialakulás Összegzés Nem szokványos amorf oxid-összetételek szerkezetét határoztuk meg ND&XRD kísérleti mérések RMC szimulációs modellezésével: Mo-Nd-Mg(B)-O Mo-O távolság 1.80±0.02 Å B-O távolság 1.40(1.60)±0.02 Å trigonális BO3 és tetraéderes BO4 eységek kialakulás Nd-O távolságok 2.1-2.3±0.02 Å (másodtávolság: 2.85Å) Mo-Nd-B-O Mo-O távolságok 1.75±0.02 Å és 1.95±0.05 Å MoO4 tetraéderes egységek B-O távolság 1.40±0.02 Å alakul ki trigonális BO3 és tetraéderes BO4 egységek kialakulása vegyes [4]Mo-O-[3],[4]B egységek kapcsolódnak Mo-Zn-B-O Mo-O távolság 1.72±0.01 Å B-O távolság 1.39±0.01 Å alakul BO3/BO4 átalakulás a B2O3 koncentráció növekedésével Zn-O távolság 2.0±0.01 Å vegyes egységek láncba kapcsolódnak [4]Mo-O-[3],[4]B, [4]Mo-O-[4]Zn, [3],[4]B-O-[4]Zn

Következtetések: - az üvegek alapszerkezetének kialakulása függ az előállítás paramétereitől - MoO3: feltételes üveg alkotó oxid - Nd2O3 nem kristályosodik, DE nem vesz részt az üveg alapszerkezetének kialakításában - B2O3 klasszikus üvegképző oxid, koordináltságát nem befolyásolja a nehézfémek jelenléte - ZnO módosító oxidként adtuk a rendszerhez DE üvegalkotó jelleget mutat

Köszönet a támogatásért: OTKA-PD 109384 Magyar-Bolgár bilaterális projekt, SNK-63 Boroszilikát amorf rendszerek szerkezetvizsgálata Araczki Csaba: 5.2 poszter

Infrastruktúra ajánló Budapest Neutron Centrum www.bnc.hu Pályázati határidő: október 1. & április 1. www.ceric-eric.eu Pályázati határidő: szeptember 1. & március 1. több információ Belgya Tamás: 2.1 poszter

Köszönöm a figyelmet!