Nuevos oxinitruros laminares de niobio y tántalo y sistemas relacionados: Síntesis, cristaloquímica y estructura electrónica

Abstract

El nitrógeno presenta propiedades electrónicas como polarizabilidad y electronegatividad, así como características cristaloquímicas -radios iónicos, índices de coordinación- muy próximas a las del oxígeno. Ello permite que ambos aniones puedan sustituirse mutuamente en las mismas posiciones cristalográficas, formando disoluciones sólidas. En este sentido nos podemos plantear diseñar nuevos edificios cristalinos de fases nitruradas de metales de transición que presenten estructuras similares a las de los óxidos con aplicaciones por sus propiedades magnéticas, catalíticas, conductividad electrónica o iónica, superconductividad, como materiales para baterías, como dieléctricos, ferroeléctricos, etc.<br/>El trabajo experimental realizado ha permitido aislar con éxito dos términos de una nueva familia de oxinitruros de Ruddlesden-Popper de estroncio y niobio. Ésta se formuló como un intercrecimiento de n capas de tipo perovsquita que contienen un nitrógeno por capa [SrNbO2N] y una capa de tipo cloruro sódico [SrO], es decir [SrO][SrNbO2N]n. Dicha formulación inicial se realizó por analogía con los oxinitruros conocidos SrNbO2N y Sr2TaO3N, si bien se esperaba poder modificar el estado de oxidación formal del niobio desde +5 hacia valores inferiores mediante dopaje con metales electropositivos en la posición del estroncio, o por variación de la relación N/O, incluyendo la posible existencia de vacantes aniónicas. Se han obtenido como fases puras los términos n= 1 y n= 2 mediante la reacción:<br/>n+1 SrCO3 + n/2 Nb2O5 + n NH3 _ Srn+1NbnO2n+1Nn + 3n/2 H2O + (n+1) CO2<br/>Además de los términos n= 1 y n= 2 se han observado miembros de la familia con n= 3 y 4 como defectos extensos en imágenes de microscopía electrónica de alta resolución. Asimismo se ha podido preparar el nuevo compuesto Sr3Ta2O5N2 mediante un procedimiento análogo al de las fases de niobio, lo que teniendo en cuenta la existencia del término n= 1 (Sr2TaO3N), permite formular la familia homóloga de tántalo [SrO][SrTaO2N]n.<br/>El estudio de estas fases mediante difracción de electrones conduce al grupo espacial I4/mmm, que es el de más alta simetría de entre los observados en compuestos de tipo Ruddlesden-Popper.<br/>Hasta el momento, los oxinitruros preparados no presentan ninguna transición superconductora entre 300 y 4 K, ni carácter metálico. ¿Por qué los óxidos con valencia mixta d0-d1 suelen ser metálicos y los oxinitruros preparados no presentan este comportamiento? A priori parece que ambos tipos de compuestos deberían mostrar las mismas propiedades físicas ya que en los dos casos tenemos una ocupación parcial de las bandas del bloque t2g del metal y estas bandas deben presentar una buena deslocalización. Para entender mejor las propiedades de transporte en los oxinitruros preparados, y debido a que por otro lado, en los óxidos laminares con configuración electrónica d0 se plantea a menudo la posibilidad del dopaje para variar el estado de oxidación formal del metal de transición, se ha desarrollado un modelo cualitativo que permite la comprensión de las propiedades de transporte de sistemas laminares relacionados con la estructura perovsquita para contages electrónicos entre d0 y d1. Inicialmente se analiza la estructura electrónica correspondiente al caso hipotético de un sistema construido a partir de octaedros ideales y posteriormente se analizan distintos casos reales de estructuras con dos, tres y cuatro capas de octaedros en los que se estudia el efecto que tienen distintos factores cristaloquímicos sobre la naturaleza y la dispersión de las bandas.<br/>Este estudio nos aporta una herramienta muy útil para la predicción de la naturaleza de los niveles parcialmente ocupados que determinan las propiedades de transporte de este tipo de compuestos, conociendo su estructura y número de electrones. Asimismo, a partir de los resultados de este análisis podemos entender porque los oxinitruros preparados por el momento no presentan comportamiento metálico.

Nitrogen presents some properties like polarizability, electronegativity, ionic radii and coordination numbers quite similar to oxygen. This allows that both anions can be exchanged in the same crystallographic position, creating solid disolutions. Following this approach we can design the formation of new transition metal nitride compounds with analogous structures to their parent oxides. The substitution of oxygen by nitrogen will promote the modification of their physical properties (magnetic, catalytic, electronic or ionic conductivity, superconductivity, applications as dielectric materials, electrodes for batteries, ferroelectrics,...).<br/>The experimental work has allowed us to synthesize two members of the new family of Ruddlesden-Popper strontium niobium oxynitrides. This compounds consist of an intergrowth of n perovskite layers with one nitrogen per layer [SrNbO2N] and a layer of [SrO] with NaCl structure. So we have the general formula [SrO][SrNbO2N]n. This materials were prepared following the approach used for the already known SrNbO2N and Sr2TaO3N oxynitrides. With the aim of modifying the niobium oxidation state from +5 to lower values, we carried out some experiments in order to substitute the strontium for lanthanum and to change the N/O ratio. We have obtained as pure phases the members n= 1 and n= 2 following the reaction:<br/>n+1 SrCO3 + n/2 Nb2O5 + n NH3 _ Srn+1NbnO2n+1Nn + 3n/2 H2O + (n+1) CO2<br/>Apart from the n= 1 and n= 2 members we have observed the n= 3 and n= 4 phases as extended intergrowths in high resolution transmission electron microscopy images. We have also been able to synthesize the new compound Sr3Ta2O5N2 using the ammonolysis system. Since the n= 1 phase, Sr2TaO3N, had already been prepared, we could establish the new family [SrO][SrTaO2N]n.<br/>The space group I4/mmm was determined by electron diffraction. This group has the highest symmetry among the observed for the Ruddlesden-Popper phases.<br/>Up to now, the prepared oxynitrides are not metallic and magnetic measurements do not show any superconducting transition down to 4 K. Why the mixed valence oxides are often metallic and the prepared oxynitrides do not have this behaviour? It looks like both compounds would present the same physical properties since they have partial occupation of the t2g bands, and this bands would have a good delocalization. In order to understand the transport properties of the prepared oxynitrides and due to the current interest in the intercalation of alkali-metal cations in the layered oxide systems, we have developed a qualitative model that is useful to understand the transport properties of laminar perovskite related systems with electronic configurations d0-d1. In a first stage the electronic structure of an idealized system (regular octahedrons) is constructed. Then, several compounds with n= 2, n= 3 and n= 4 are analyzed. We have studied the effect of different factors on the nature and dispersion of the bands.<br/>With this study we have developed a really useful tool to predict the nature of the partially occupied bands that determine the transport properties of this type of compounds. We just need to know the crystal structure and the electron count. It has also been useful to understand the properties of the prepared oxynitrides.