Synthesis of Hexagonal Yttrium and Ytterbium Manganites

Abstract

I denne studien utforskes hydrotermisk syntese av heksagonale manganitter av sjeldne jordartsmetaller, h-LnMnO3 (der Ln er det sjeldne jordartsmetallet), som er en klasse blyfrie ferroelektriske materialer. De sjeldne jordartsmetallene som brukes er yttrium og ytterbium, og reaksjonsbetingelser som temperatur, hydroksidkonsentrasjon og reaksjonstid varieres. Synteser gjøres både fra oksidforløpere og fra løselige saltforløpere. Vellykket syntese av både h-YMnO3 og h-YbMnO3 gjennomføres, førstnevnte ved 240 °C og sistnevnte i et bredt spektrum av temperaturer, helt ned til 110 °C. Dermed presenteres en miljøvennlig synteserute til h-LnMnO3 -partikler som kan gjennomføres ved lave temperaturer. Partiklene har platemorfologi med typisk diameter under 1 µm når ytterbium anvendes som sjeldent jordartsmetall. Når yttrium benyttes dannes hule plater med typisk diameter omkring 10-50 µm når reaksjonstiden er 48-72 t, mens platene ikke er hule etter kortere reaksjonstid. Forskjeller som resulterer fra valg av sjeldent jordartsmetall og andre reaksjonsparametre observeres og diskuteres, og en mekanisme for manganittdannelse under hydrotermisk syntese foreslås. I den foreslåtte mekanismen går dannelsen av h-LnMnO3 via mellomproduktene Ln(OH)3 og LnOOH, og h-YMnO3 -partiklene blir etter hvert hule ved ostwaldmodning fra innsiden og ut.

This study is devoted to investigating hydrothermal synthesis of hexagonal rare-earth manganites, h-LnMnO3 (Ln denoting the rare-earth element), which are a class of lead-free ferroelectric materials. Yttrium and ytterbium are used as the rare-earth elements, and reaction conditions such as temperature, hydroxide concentration, and reaction time are varied. Syntheses from both oxide precursors and soluble salt precursors are performed. Both h-YMnO3 and h-YbMnO3 are successfully synthesized, the former at 240 °C and the latter in a wide range of temperatures, including as low as 110 °C. A low-temperature, environmentally friendly route for synthesis of h-LnMnO3 particles is thus presented. The particles have platelet morphology with a typical diameter below 1 µm when ytterbium is used as the rare-earth element. When yttrium is used, hollow platelets with typical diameter around 10-50 µm form when the reaction time is 48-72 h, whereas dense platelets are seen after shorter reaction times. Differences caused by choice of rare-earth element and other reaction parameters are observed and discussed, and a mechanism for manganite formation during hydrothermal synthesis is proposed. In the proposed mechanism, h-LnMnO3 forms via the intermediate phases Ln(OH)3 and LnOOH, and the h-YMnO3 eventually turns hollow by mechanism of inside-out Ostwald ripening.