Сложные оксиды металлов имеют множество структур и широко изучены из-за их обширных химических и физических свойств. Применение таких материалов охватывает огромный спектр областей. Они обычно используются не только в твердотельных устройствах, как конденсаторы, сверхпроводящие магниты и полупроводники, но также и в более разнообразных материалах, таких как ионные проводники, ионообменные фазы и в сегнетоэлектрических устройствах.
Помимо этого, одна из целей столь объемных исследований этих соединений обусловлена тем, что они часто сильно окрашены и могут быть использованы в качестве пигментов.
Свойства большинства фаз оксидов металлов основываются на многомерных ячейках, которые составляют основную структурную сеть материала. Ячейки, как правило, представляют собой многогранник из атомов металла и кислорода с разной степенью координации для последующего координирования атомов в эту структуру и обеспечения структурной стабильности и баланса заряда. Связанные полиэдры образуют более сложную структуру, которая не блокирует совместные электронные эффекты, что позволяет использовать данные материалы как сверхпроводники, полупроводники, проводники, а также и в сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических устройствах.
Простой характер этих структур, упорядоченных на большие расстояния, позволяет легко изучить их локальную структуру с использованием различных методов дифракции, приводящих к практически полному пониманию связи между структурой материала и его свойствами.
Многие материалы с этими структурных типами могут принимать весьма разнообразные композиции с широким разнообразием соотношений элементов, образующих этот определенный тип фаз под влиянием синтетических условий. Кроме того смешанная стехиометрия может встречаться с единственной кристаллографической стороны, занятой несколькими типами атомов. Эта особенность приводит к практически бесконечному разнообразию возможных составов в материалах семейства керамик. Данная особенность таких структур привела к широкому разнообразию применений данных материалов и огромному количеству исследований, так как изменение состава позволило бы получить материалы с желаемыми свойствами.
Большое количество известных сложных оксидов металлов могут принять структуру, аналогичную структуре минерала пирохлора, (Са,Na)2Nb2O6F, структура которого была впервые описана Гертнером в 1930 году. Минерал обнаружен в нескольких местах по всему миру и является сопутствующим для минералов с ниобием в своем составе. Он встречается в виде мелких октаэдрических кристаллов, которые обычно находятся в скоплениях других полезных ископаемых.
На данный момент открыто путем синтеза множество разнообразных соединений общей формулы A2B2O7 (где А и В являются металлами). Способность данной структуры к замене имеющихся атомов на обширный ряд других атомов на различных кристаллографических участках приводит к широкому спектру наблюдаемых свойств, таких как металл-диэлектрические свойства, сверхпроводимость, сегнетоэлектрические свойства, ионная проводимость и катализ.
Рисунок 1 показывает широкий спектр элементов, которые могут быть включены в структуру пирохлора, а рисунок 3 демонстрирует типичную структуру пирохлора.
Рисунок 1 – На рисунке продемонстрирован широкий спектр элементов, которые могут участвовать в структуре пирохлора (выделены цветом).
Структура пирохлора имеют кубическую симметрии (пространственная группа FD3m) с общей стехиометрии A2B2X7, где А и В катионы, расставленные в порядке уменьшения заряда в зависимости от расположения в октаэдре, а Х чаще всего является атомами кислорода.
Рисунок 2 – Типичный структурный состав пирохлора A2B2X7, показывающий две взаимосвязанные структуры октаэдров BO6 синего цвета и структур A2О'(кислороды показаны красным, а катионы А фиолетовым).