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Type: Tese
Title: Transformações estruturais dos compostos Cs2HgBr4, LiKSO4 e N(CH3)4CIO4 devido a transições termotrópicas de fase
Authors: Carlos Basílio Pinheiro
First Advisor: Nivaldo Lúcio Speziali
First Co-advisor: Gervais Chapuis
First Referee: Alfredo Gontijo de Oliveira
Second Referee: Alaor Silvério Chaves
Third Referee: Cesar Cusatis
metadata.dc.contributor.referee4: Márcia Carvalho de Abreu Fantini
metadata.dc.contributor.referee5: Genivaldo Júlio Perpétuo
Abstract: O composto Cs2HgBr4 (tetrabromo dicesium mercúrio) tem sido estudado desde 1979 e diferentes estruturas têm sido propostas para descrever cada uma de suas 5 fases. Neste trabalho, difração de raios X e Espectroscopia Raman são usadas para investigar as fases de temperatura ambiente (T > 245 K), incomensurável (233 < T < 245 K) e comensurável (167 < T < 233 K). A análise estrutural mostra que as fases de temperatura ambiente e incomensurável podem ser descritas tanto por modelos ordenados quanto por modelos desordenados, sendo que o último fornece resultados mais consistentes. A espectroscopia Raman corrobora os resultados de difração de raios X: a presença de um pico proibido por teoria de grupo num modelo ordenado indica a perda de simetria local. Este pico é associado com uma desordem orientacional do tetraedro HgBr4. Para investigar o caráter comensurável ou incomensurável da modulação, foram realizadas medidas de acompanhamento da posição de algumas reflexões satélite em função da temperatura. Um comportamento do tipo limite de multi-sólitons é observado na transição da fase incomensurável para a fase comensurável ((232 ± 2) K). Abaixo de 213 K o cristal de Cs2HgBr4 é constituído por dois tipos de domínios monoclínicos pseudo-meroédricos. Cristais de LiKSO4 (sulfato de lítio potássio) apresentam inúmeras transições de fase desde o ponto de fusão (~1100 K) até próximo de 4 K. Trabalhos realizados por diferentes pesquisadores, empregando diferentes técnicas experimentais, mostraram propriedades físicas e características estruturais contraditórias; mesmo a sequência de transições de fases ainda não é bem estabelecida. Uma controvérsia particular diz respeito à descrição da fase compreendida entre 708 e 943 K (fase II): modelos estruturais comensuráveis, incomensuráveis e geminados têm sido usados para explicar o padrão de difração e os resultados de condutividade elétrica e de espectroscopias Raman e Infra-Vermelho nesta fase. Neste trabalho experimentos de difração de monocristais na fase II do LiKSO4 foram realizados em duas temperaturas distintas (723 e 803 K). Todas as reflexões, incluindo aquelas tidas como incomensuráveis por outros autores, foram usadas nos refinamentos. Mapas de Diferença de Fourier revelaram desordem nas posições dos oxigênios. Dois modelos desordenados e um modelo de vibração térmica anarmônica foram refinados. A dependência com a temperatura dos Potenciais Efetivos (OPP) foram usados para investigar a natureza (dinâmica ou estática) da desordem. O modelo de desordenamento descrito pela superposição de dois grupos SO4 é o que melhor descreve a estrutura da fase II do LiKSO4. Um modelo para o movimento do grupo SO4 durante as transições entre as fases III → II → I também é apresentado. Devido à importância experimental e teórica do entendimento dos mecanismos de transição de fase, a procura por novos compostos que apresentem transições que levem fases estruturais ordinárias a fases desordenadas, moduladas e geminadas é realizada em inúmeros centros de pesquisa. Neste sentido, síntese e crescimento de cristais de N(CH3)4YO4 (Y=Cl, Br, I) têm sido realizados no Laboratório de Cristalografia da UFMG. Experimentos de DSC revelaram que o N(CH3)4ClO4 (perclorato de tetrametil amônia) apresenta uma transição de fase entre 493 e 110 K. Experimentos de difração de raios X à temperatura ambiente levam à determinação inicial de uma rede tetragonal com V ≈ 400 Å3 (malha A). Uma análise mais detalhada mostra a existência de um pequeno conjunto de reflexões de baixa intensidade que somente podem ser indexadas em uma malha com V ≈ 1600 Å3 (malha B). A intensidade destas reflexões cresce à medida que se reduz a temperatura do cristal, ocorrendo um salto descontínuo dos valores na transição em 168 K. Um modelo estrutural desordenado descrito no grupo espacial P4 pode ser satisfatoriamente refinado na malha A. As reflexões que caracterizam a malha B são explicadas considerando a existência de uma correlação orientacional entre as moléculas de ClO4− mais próximas. O aumento da intensidade destas reflexões é explicado pelo aumento do comprimento de correlação devido ao resfriamento. Resultados obtidos com um modelo teórico simples para a interação dos grupos ClO4− e N(CH3)4+ dentro do cristal fortalecem as conclusões obtidas a partir das medidas de difração.
Abstract: The Cs2HgBr4 compound has been studied since 1979 and different structures have been proposed to describe its five known phases. X-ray diffraction and Raman Spectroscopy experiments have been used to investigate the room temperature phase (T > 245 K), the incommensurate phase (233 < T < 245 K) and the commensurate phase (167 < T < 233 K). Structural analysis shows that the crystal can be described, in the room temperature and in the incommensurate phases, both by ordered and disordered models but the latter one give more consistent results. Raman results corroborate the descriptions based on X-ray analysis; the presence of an extra peak in the Raman spectra, which according to group theory should be forbidden in an ordered structure, indicates the lack of local symmetry and is associated with an orientational disorder of HgBr4 tetrahedra. In order to characterize the modulation in the incommensurate phase, the position of some satellite reflections were measured as a function of temperature. In the transition from incommensurate to commensurate phase a multi-soliton behavior is observed. The Cs2HgBr4 crystal in the low temperature commensurate phase is composed of two kinds of ordered pseudomerohedral monoclinic twined domains. LiKSO4 crystals present several phase transitions from low temperature to the melting point. Some works published by different authors using different experimental techniques reveal contradictory results concerning physical and structural properties; even the phase transition sequence is not completely established. In particular, the symmetry description of the phase between 708 and 943 K (phase II) is controversial; incommensurate, commen- surate and twined models have been used to explain the observed diffraction pattern and the results of electrical conductivity, Raman and Infrared spectroscopy measurements. The first structure refinement of phase II based on single crystal X-ray diffraction is carried out at two distinct temperatures (723 and 803 K). All the reflections, including those considered as satellites by some authors, are used in the refinements. Fourier difference maps reveal a disorder of the oxygen atoms. Two disordered models and an anharmonic vibrations ordered model are refined. The dependence with temperature of the One Particle Potentials (OPP) is used to analyze the nature (static or dynamic) of the observed disorder. The model consi- dering two complete disordered SO4 groups in the refinements is found to be the best one in the structure description of phase II LiKSO4. A model for the movement of the SO4 group during the transitions phase III → phase II → phase I is presented. Due to the experimental and theoretical relevance of the phase transition mechanisms the search for compounds that present transitions that lead structural normal phases to disordered, modulated and twined phases, is performed in a number of research centers. In this sense synthesis and crystal growth of N(CH3)4YO4 (Y=Cl,Br, I) is developed in the Laboratório de Cristalografia da UFMG. DSC experiments have shown that N(CH3)4ClO4 presents one phase transition between 493 K and 110 K. X-ray diffraction experiments per- formed at room temperature lead to a tetragonal lattice with V≈ 400 Å3 (lattice A). A careful analysis show the presence of a small set of weak reflections which can be only indexed using a unit cell with V ≈ 1600 Å3 (lattice B). Their intensity increase with decreasing temperature and a discontinuous growth is observed during the phase transition. A disordered structural model described in the P ¯4 space group can be satisfactorily refined using lattice A. The set of reflections defining lattice B can be explained by considering an orientational correlation between nearest ClO4− molecules. The increase in their intensity is explained as a consequence of the increase in the correlation length due to crystal cooling. Results obtained with a simple theoretical model for the interactions between ClO4−1 and N(CH3)4+ in the crystal reinforce the conclusions obtained from the diffraction results.
Subject: Cristalografia
Transição de fase
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ICX - DEPARTAMENTO DE FÍSICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Física
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/45420
Issue Date: 20-Dec-1999
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