Effect of ıon ırradıatıon on propertıes of doped bi1.5zn0.92nb1.5o6.92 pyrochlores - Yumak, Mehmet (My University, 2015)
KATKILI Bi1.5Zn0.92Nb1.5O6.92 PİROKLOR MALZEMELERE İYON RADYASYONUNUN ETKİSİ A ve B nin katyon ve X in anyon olduğu stokiyometrik piroklor formülü genellikle A2B2X7 şeklinde yazılır. Piroklor bileşiği sekiz fold koordinasyonda büyük A-konumu katyonu (yarıçap: yaklaşık 1Å) ve daha küçük olan oksijen oktahedra ağıyla sarılmış B-konumu katyonundan (yarıçap: yaklaşık 0.6 Agstrom) oluşur. Piroklor bileşiği değişik ilginç özellikleri nedeniyle çok geniş bir uygulama alanına sahiptir. Örneğin; yüksek permitiviteye sahip dielektrikler , katı elektrotlarda katot ve elektrot malzemesi olarak , parçalanma (fizyon) ürünlerinin durağanlaştırılmasında ana malzeme olarak , katalizör ,ısı bariyeri kaplaması ve floresans merkezi olarak. İdeal stokiyometrik piroklor (A2B2O7) Fd3m kübik uzay grubuna sahip olup, genellikle B2O6 oktahedra veA2O tetrahedranın iç içe geçmiş ağ yapısı olarak tarif edilir. Kübik piroklorun sentezi ve yapısal karakterizasyonu üzerine yapılan yoğun çalışmalar, piroklor yapısının A ve B konumuna katkılandırılacak iyonların katyon yarıçapı ve elektronegativiteleri gibi basit ölçümlerine dayanarak piroklor bileşikleri için stabilite alanları önerilmiştir . Piroklor oksitler BO2 ile A2O3 arasında geniş alanda katı çözelti barındırabilir. Bu nedenle, piroklor yapısına çok farklı katyonların katkılandırılmasıyla farklı özelliklere sahip piroklor bileşikler elde edilebilir. Son yıllarda yapılan çalışmalar bizmut bazlı piroklor bileşiklerine odaklanmış olup, bu bileşiklerde A konumunda Bi+3 katyonu yer almakta ve bu bileşikler kapasitör ve yüksek frekans filtre uygulamalarında potansiyel uygulama imkanına sahiptir . Bismuth tek çift elektrona sahip ve yarıçapı 1.17 Å olup, bizmut piroklor bileşiğinde A konumunda yer alan en büyük katyonlardan biridir. Bu nedenle oldukça dar bir kararlılık alanına sahiptir. Geçen son on yılda küçük katyonların katkılandırıldığı çok farklı kompleks bismuth piroklor bileşiklerinin senteziyle ilgili yürütülen deneysel çalışmalar, bu kararlılık alanını genişletmiştir. Bu malzemelerden en yoğun çalışılan malzemelerden biri Bi1.5Zn0.92Nb1.5O6.92 (BZN)’dir. BZN piroklor bileşiği düşük ve ayarlanabilir dielektrik sabiti, düşük dielektrik kaybı, küçük ve sıfıra yakın dilektrik sabiti sıcaklık katsayısı, düşük sinterlenme sıcaklığı ve düşük maliyetli elektrot malzemeleriyle kullanılabilir olması özellikleri nedeniyle kapasitörlerde ve kablosuz iletişim teknolojisinde mikrodalga rezonatör olarak ve çok katlı yapılarda yüksek frekans filtre malzemesi olarak ilgi çeken malzemelerdir. Piroklor bileşiğinin potansiyel uygulamaları nedeniyle radyasyon etkisi çok farklı piroklor bileşiklerinde detaylı olarak araştırılmıştır. Bu çalışmada, BZN olarak bilinen komleks oksit piroklorun radyasyon etkisi araştırılacaktır. Madde üzerindeki enerjili iyon ışını (iyon ışıması) etkisi, iyon parçacıklarına, iyon enerjisine ve akıcılığına bağlıdır. Enerjili ağır iyonlar madde içinden geçerken enerjilerini kaybederler. Elastik veya elastik olmayan çarpışma ile atomu iyonize eder veya elektronunu koparırlar. Düşük enerjide elastik çarpışma baskınken, yüksek enerjide ise elastik çarpışmanın önemsiz olduğu inelastik çarpışma baskın durumdadır. Literatüre göre inelastik çarpışma nedeniyle oluşan elektronik enerji kaybı (Se) eğer Se elektronik enerji kaybı (Seth) eşik değerinden daha düşükse noktasal/ kümesel kusurlar oluşturabilir. Eğer Se, Seth den büyükse enerjili iyonlar kolonsal amorf bozunma yapabilir. Oluşan kusurlar ve amorflaşma nedeniyle meydana gelen şekil değişimi/ gerilme malzemenin birçok özelliğinin modifikasyonundan sorumludur. Literatürde BaTiO3 üzerindeki radyasyon ışınlama etkisi araştırılıp raporlanmıştır. BaTiO3’daki amorfluk için ısıl faz geçişi ve doza bağlı sıcaklık değişimi araştırılmıştır. Jiang ve arkadaşları altın iyonu ışınlamış baryum titanatın bozunum birikimini ve iyileşmesini çalışmıştır. Bu çalışmada, Bi1.5Zn0.92Nb1.5O6.92 (BZN) piroklor bileşiği Ta, Mn,ve Dy gibi farklı iyonlar doplanarak üretilecektir. Her bir katyonun çözünürlük limitleri belirlendikten sonra tek fazlı yapıya sahip katkılı BZN seramikleri farklı dozlardaki Li+3 iyon radyasyonuna tabi tutulacaktır. Radyasyonun farklı frekans ve sıcaklıktaki dielektrik özelliklere, değişik sıcaklıklardaki iletkenlik özelliklerine ve optik özelliklere etkisi araştırılacak, özellikler ile Li+3 iyon radyasyon dozu arasındaki ilişki kurulacaktır.

EFFECT OF ION IRRADIATION ON PROPERTIES OF DOPED Bi1.5Zn0.92Nb1.5O6.92 PYROCHLORES Among the ternary metallic oxides, compounds of the general formula, A2B2X6Z where A and B are cations and X and Z are anions, represent a family of pyrochlore phases. Ideal pyrochlore structure has a space group of Fd3m having eight molecules per unit cell (Z=8). Pyrochlore compounds consist of large A-site cations (radius: 1 Å) in eightfold coordination and a network of oxygen octahedra (actually trigonal antiprisms) enclosing smaller B-site cations (radius: 0.6 Å). In A2B2X6Z pyrochlore, while A and B cations are in 16(c) and 16(d) positions, X-anion occupies the 48f position and the Z-anion occupies the 8a position. For the ideal structure, the coordination polyhedra of the ions are : AX6Y2 , BX6 , XA2B2 , and ZA4. In the literature, large number of pyrochlores having (3+, 4+) cations are reported compared to pyrochlores having (2+, 5+) cations because more number of (3+, 4+) ions are possible. In addition, from extensive experimental work on the synthesis and structural characterization of cubic pyrochlores, stability fields of pyrochlores have been proposed for allowable substitution into the A and B cation sites of pyrochlore based on simple measures such as the ratio of the cation size and the cation electronegativity. Pyrochlore oxides can accommodate a wide range of solid solutions between BO2 and A2O3 compounds. Therefore, many different type of pyrochlore compounds can be produced by substituting variety of cations into the pyrochlore structure. Variety of substitutions into the pyrochlore structure produce different pyrochlores with variety of interesting properties which allow them for a broad range of applications, such as high-permittivity dielectrics, as cathode and electrolyte materials in solid electrolytes, host materials for the immobilization of fission products, catalysis, and thermal barrier coatings and fluorescence centers. The electrical properties of the pyrochlores vary from highly insulating through semiconducting to metallic behaviour. Some pyrochlores exhibit superconductivity at lower temperatures. Oxide ion conduction is also possible in pyrochlores if the compositions are tuned properly. Pyrochlore compounds are also used for immobilization nuclear wastes, especially n titanate-pyrochlores because of their chemical durability. Recent attention has focused on bismuth based pyrochlores for their potential use in capacitor and high-frequency filter applications due to their low sintering temperature and desired properties. In bismuth based pyrochlores, the Bi+3 cation exist in the A site of pyrochlore and it has a lone pair of electrons. One of the Bi based pyrochlores is Bi1.5Zn0.92Nb1.5O6.92 (BZN) which are attractive materials for capacitors and wireless communications technology as microwave resonators, high frequency filter applications in multilayer structures due to their high and tunable dielectric constant, low dielectric loss, small and close to zero values of the temperature coefficient of dielectric constant, low sintering temperature and lower cost of electrode materials. Radiation effects in a wide range of pyrochlore compositions have been investigated due to the potential application of pyrochlores. The effect of energetic ion beam (ion irradiation) on the materials depends on the ion energy, fluence and ion species. The energetic heavy ions loose their energy as they pass through the material. The ions either excite or ionize the atoms by inelastic collisions or displace atoms of the target by elastic collisions. These collisions may cause formation of defects in the microstructure like formation of columnar amorphization or formation of point defects. The strain/ stress developed due to the created defects and amorphization in the structure is responsible for the modification in the different properties of the materials. Ion beam irradiation can induce the structural disordering by mixing the cation and anion sublattices, therefore it was aimed to inevestigate effects of irradiation in pyrochlore compounds. In this study, Eu and Yb-doped Bi1.5Zn0.92Nb1.5O6.92 (Eu-BZN, Yb-BZN) pyrochlore compounds were synthesized by a conventional mixed oxide technique. Doping effect and single phase formation of Eu-BZN, Yb-BZN was characterized by X-ray diffraction technique (XRD). Radiation-induced effect of 85 MeV C6+ ions on Eu-BZN, Yb-BZN was studied by XRD, scanning electron microscopy (SEM) and temperature dependent dielectric measurements at different fluences. XRD results revealed that the ion beam-induced structural amorphization processes in Eu-BZN and Yb-BZN structures. Our results suggested that the ion beam irradiation induced the significant change in the temprature depndent dielectric properties of Eu-BZN and Yb-BZN pyrochlores due to the increased oxygen vacancies as a result of cation and anion disordering.
Keywords: Metalurji ve Malzeme; Mühendislik