Polymorphism of rare-earth orthovanadates under high pressure
NAGIOS: RODERIC FUNCIONANDO

Polymorphism of rare-earth orthovanadates under high pressure

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dc.contributor.advisor Errandonea Ponce, Daniel
dc.contributor.advisor Santamaría-Pérez, David
dc.contributor.advisor Pellicer Porres, Julio
dc.contributor.author Marqueño Villanueva, Tomás
dc.contributor.other Departament de Física Aplicada i Electromagnetisme es_ES
dc.date.accessioned 2022-05-06T08:31:26Z
dc.date.available 2022-05-07T04:45:06Z
dc.date.issued 2022 es_ES
dc.date.submitted 09-05-2022 es_ES
dc.identifier.uri https://hdl.handle.net/10550/82633
dc.description.abstract Los ortovanadatos de tierras raras constituyen una familia paradigmática de óxidos ternarios, debido a sus llamativas propiedades y sus diferentes polimorfos. Una gran cantidad de sus diferentes fases pueden obtenerse sometiendo a estas estructuras cristalinas a condiciones de presión y temperatura extremas. En esta tesis se estudia el comportamiento de diferentes ortovanadatos (NdVO4, GdVO4, PrVO4 y TbVO4) bajo altas presiones y diferentes condiciones de temperatura. Varias muestras de estos compuestos han sido caracterizadas a través de diversas técnicas experimentales, entre las cuales se incluyen la difracción de rayos X (DRX), la dispersión Raman y la absorción óptica. Además de esto, una gran parte los resultados experimentales están apoyados por cálculos ab initio, los cuales permiten una mejor comprensión del comportamiento bajo presión de estos compuestos. Con respecto al NdVO4, nuestros experimentos bajo condiciones de quasi-hidrostaticidad muestran que existe una transición de fase zircón-scheelita a 6,5 GPa y una transición scheelita-fergusonita a 20 GPa. Se encontró un comportamiento análogo en el GdVO4 a 7,0 GPa y 20 GPa respectivamente, por medio de medidas de DRX, espectroscopia Raman y absorción óptica. Además de esto, mediante medidas de dispersión Raman, se encontró una tercera transición de fase hacia una fase post-fergusonita cerca de 30 GPa. Con respecto al PrVO4. medidas de DRX a altas presiones demostraron la existencia de una transición zircón-monacita a 5,5 GPa y una transición monacita-PbWO4-III a 12.7 GPa. Motivados por los cálculos ab initio, también sintetizamos la fase scheelita del PrVO4 a altas presiones y altas temperaturas en una celda de gran volumen Paris-Edimburgo. La muestra recuperada fue caracterizada ex-situ en condiciones ambiente por medio de DRX, y posteriormente estudiada bajo presión mediante la técnica de dispersión Raman. En este experimento se observó una transición de fase a 17 GPa, la cual es compatible con una transición a una estructura tipo PbWO4-III, según predicen los cálculos. En general, también se ha podido caracterizar la evolución de los parámetros de red bajo presión y las ecuaciones de estado de los compuestos mencionados, así como la dependencia de los fonones Raman con la presión. Tanto las medidas experimentales como los cálculos ab initio de esta familia de compuestos sugieren que las barreras cinéticas ejercen un papel crucial en la sistemática estructural zircon-scheelita/monacita. Reuniendo los datos disponibles en la literatura científica así como nuestros propios datos y cálculos, hemos podido desvelar los mecanismos que gobiernan las secuencias estructurales. En concreto, las transiciones zircón-scheelita y zircón-monacita son provocadas por una inestabilidad dinámica y mecánica respectivamente. En concreto, en el primer caso el ablandamiento de un fonón silencioso reduce la barrera de activación entra las fases zircón y scheelita, facilitando la transición. Con respecto a la inestabilidad mecánica, está consiste en una distorsión monoclínica de la fase zircón que es compatible con el proceso de transformación necesario para ir de una estructura zircón a una monacita. Finalmente, hemos explorado el efecto Jahn-Teller en el TbVO4 a bajas temperaturas (y altas presiones). Medidas de absoción óptica a bajas temperaturas y a bajas presiones muestran un ensanchamiento progresivo de la banda prohibida electrónica por debajo de 35 K, como consecuencia de una distorsión Jahn-Teller. Medidas de DRX a bajas temperaturas y altas presiones muestran que la temperatura de transición aumenta considerablemente con la presión. Mediante los datos obtenidos es posible elaborar un diagrama de fases tentativo para el TbVO4. es_ES
dc.format.extent 269 p. es_ES
dc.language.iso en es_ES
dc.subject alta presión es_ES
dc.subject semiconductores es_ES
dc.subject vanadatos es_ES
dc.subject ortovanadatos es_ES
dc.title Polymorphism of rare-earth orthovanadates under high pressure es_ES
dc.type info:eu-repo/semantics/doctoralThesis es_ES
dc.subject.unesco UNESCO::FÍSICA::Física del estado sólido ::Semiconductores es_ES
dc.description.abstractenglish Rare-earth orthovanadates (with formula RVO4, where R is a rare-earth atom) constitute a paradigmatic family of ternary oxides, due to their striking properties and their manifold polymorphs. Many of their different phases can be achieved by submitting these crystal structures under extreme pressure and temperature conditions. In this dissertation we study the behaviour of NdVO4, GdVO4, PrVO4 and TbVO4 under high pressures and different temperature conditions. Different samples of these compounds were characterized by means of several experimental techniques such as X-ray diffraction (XRD), Raman scattering and optical absorption. In addition to this, many of our experimental results are also supported by ab initio calculations, which allowed a better understanding of the pressure behaviour of these compounds. With regard to NdVO4, our experiments under quasi-hydrostatic conditions showed that there is a zircon-to-scheelite phase transition at 6.5 GPa and a scheelite-to-fergusonite phase transition at 20 GPa. Similar findings were found in GdVO4 at 7.0 and 20 GPa respectively by means of XRD, Raman spectroscopy and optical absorption measurements. Moreover, the Raman scattering measurements found a third phase transition to a post-fergusonite phase near 30 GPa. With respect to PrVO4, XRD experiments at high pressures found a zircon-to-monazite and a monazite-to-PbWO4-III phase transition at 5.5 and 12.7 GPa, respectively. Motivated by theoretical predictions, we also synthesized the scheelite phase of PrVO4 at high pressures and high temperatures in a Paris-Edinburgh large volume press cell. The recovered scheelite phase was characterized ex situ by means of XRD and later studied upon compression by using Raman spectroscopy. These experiments showed that there is a phase transition to a new phase near 17 GPa. According to ab initio calculations, this transformation is compatible with a scheelite-to-PbWO4-III phase transition. In general, the equations of state of the different phases observed for NdVO4, GdVO4 and PrVO4 are also reported, as well as the pressure evolution of the Raman active modes. The experiments and calculations on these orthovanadates show that kinetic barriers play a crucial role in the zircon-scheelite/monazite systematics of RVO4 compounds. By gathering the data available in the most recent literature as well as our ab initio calculations we could unveil the mechanisms that govern in these structural sequences. In particular, the zircon-to-scheelite and zircon-to-monazite phase transitions are triggered by dynamical and mechanical instabilities respectively. In particular, the dynamic instability is caused by the softening of a silent mode, which lowers the activation barrier between the zircon and scheelite phases. On the other hand, the mechanical instability is related to a monoclinic distortion of the zircon phase, which is compatible with the necessary steps to go from the zircon to the monacite structure. Finally, we explored the Jahn-Teller effect of TbVO4 at low temperatures (and high pressures). Optical absorption experiments at low temperatures and room pressure show a progressive widening of the electronic band gap below 35 K as a consequence of the Jahn-Teller distortion. XRD measurements at low temperatures and low pressures show that the transition temperature considerably increases with pressure. A tentative pressure-temperature phase diagram is proposed for TbVO4. es_ES
dc.embargo.terms 0 days es_ES

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