Efecto del ball milling sobre mezclas M₂O₃-HfO₂

Abstract

El molido mecánico (ball milling) puede usarse para inducir reacciones de estado sólido en óxidos y para doparlos con impurezas. En este trabajo se analiza la aparición de defectos en uno de los componentes de mezclas binarias de óxidos sometidas a molido mecánico, previa a una posible reacción entre ellos. Es de interés definir los parámetros físicos que determinan el grado de daño cristalino introducido. Con el fin de estudiar la aparición de defectos mediante Correlaciones Angulares Perturbadas (PAC), uno de los óxidos se dopa con 181Hf que decae a 181Ta, una sonda adecuada para esta técnica. A través de medidas de las interacciones hiperfinas del núcleo de 181Ta es posible determinar la distribución atómica alrededor de la sonda. Se estudió la aparición de defectos en HfO2 (óxido testigo) luego del molido mecánico de mezclas M2O3-HfO2. Se utilizaron pequeñas cantidades de óxido de hafnio con el propósito de investigar el posible dopaje de M2O3 con átomos de hafnio. Se estudiaron óxidos con dureza superior (Cr2O3), comparable (Fe2O3) e inferior a del óxido testigo (La2O3, Bi2O3 y B2O3). Las medidas PAC fueron realizadas a temperatura ambiente luego de los tratamientos de molido. Se observó que el efecto del molido sobre el óxido testigo depende de la dureza del óxido mayoritario. En las mezclas con La2O3, Bi2O3 y B2O3 la estructura del óxido monitoreado no se altera inclusive con tratamientos prolongados. En las mezclas basadas en los compuestos magnéticos Cr2O3 y Fe2O3, incluso cortos tratamientos de molido producen un daño considerable en el HfO2. Este efecto se hace más evidente a medida que la duración del tratamiento aumenta. En estos casos, la aparición de una interacción magnética señala la inclusión de una fracción de sondas radiactivas en la estructura del óxido antiferromagnético mayoritario. Como etapa final del trabajo, se analizó el comportamiento de las mezclas con un recocido a alta temperatura. En el caso del La2O3, el tratamiento da lugar a una reacción química que resulta en un compuesto pirocloro y a una transformación de fase del óxido testigo. En Cr2O3 y Fe2O3, el recocido a alta temperatura produce la segregación de los átomos de hafnio que habían ingresado en el óxido mayoritario y la reconstitución del óxido testigo.

Ball milling can be used to induce solid-state reactions in oxides and to dope them with impurities. In this work, the apparition of defects in one of the components of binary oxides blends subjected to ball milling, previous to a possible reaction between them, is analyzed. It is of interest to define the physical parameters that determine the grade of crystalline damage introduced. In order to study the apparition of defects with Perturbed Angular Correlations (PAC), one of the oxides is doped with 181Hf that decays to 181Ta, an adequate probe for the technique. Through the measurement of the hyperfine interactions of the nuclei of 181Ta, it is possible to determine the atomic distribution around the probe. The apparition of defects in HfO2 (testing oxide) after ball milling of blends M2O3-HfO2 was studied. Small amounts of hafnium oxide were used in order to investigate the possible doping of M2O3 with hafnium atoms. Oxides of superior (Cr2O3), comparable (Fe2O3) and inferior hardness (La2O3, Bi2O3 and B2O3) respect to the testing oxide were studied. PAC measurements were done at room temperature after the milling treatments. It was observed that the effects of the milling on the testing oxide depend on the hardness of the majority oxide. In blends containing La2O3, Bi2O3 and B2O3 the structure of the testing oxide is not altered even with prolonged treatments. In blends based on the magnetic compounds Cr2O3 and Fe2O3, even short milling treatments produce considerable damage in HfO2. This effect becomes more evident as the duration of the treatment increases. In these cases, the apparition of a magnetic interaction evidences the inclusion of a fraction of radioactive probes in the structure of the antiferromagnetic majority oxide. As a final step, the behavior of the blends subjected to high temperature annealing was analyzed. In the case of La2O3, the treatment gives place to a chemical reaction that results in a pyrochlore compound and a phase transformation of the testing oxide. In Cr2O3 and Fe2O3, the annealing produces the segregation of the hafnium atoms which had entered in the majority oxide and the reconstitution of the testing oxide.