Magnetic Properties, EPR and NEXAFS – Spectroscopy of Iron-Doped Bi₃NbO₇ Ceramics

Abstract

The measurements of magnetic susceptibility, EPR and NEXAFS- spectroscopy study of the ironcontaining solid solutions of bismuth niobate Bi3NbO7 has indicated that iron atoms are represented by monomeric Fe(III) and Fe(III)-O-Fe(III) exchange bound dimers with the ferromagnetic and antiferromagnetic types of exchange in the solid solutions of cubic modification. The exchange parameter and monomeric and dimeric cluster distribution in Bi3Nb1-xFexO7-δ depending on the content of the paramagnetic atoms were calculated according to the model of Heisenberg-Diracvan Vleck. The solid solutions as well as iron oxides FeO, Fe2O3 and Fe3O4 were studied by the NEXAFS spectroscopy in order to determine the degrees of oxidation of iron atoms. The analysis of the NEXAFS Fe2p-spectra of iron-containing solid solutions and iron oxides revealed that the studied Fe atoms were mainly in the +3 oxidation state. The EPR spectrum of the sample with minimum iron content contained a symmetric signal with g = 4.27 with a weak shoulder at g ~ 8. The samples of Bi3Nb1-xFexO7-δ solid solutions at 0.02 ≤ х ≤ 0.04 had a low-intensity broad band in the region of g ~ 2.28 of their spectra. The spectra of EPR of the solutions with x > 0.04 exhibited a broad, slightly asymmetric line centered around g ~ 2.0

На основании данных магнитной восприимчивости и исследований методами ЭПР- и NEXAFS- спектроскопии железосодержащих твердых растворов ниобата висмута Bi3NbO7 кубической модификации установлено, что атомы железа находятся в виде мономеров Fe(III) и обменносвязанных димеров Fe(III)-O-Fe(III) с ферро- и антиферромагнитным типами обмена. По модели Гейзенберга-Дирака-ван-Флека рассчитаны обменные параметры и распределение кластеров в Bi3Nb1-xFexO7-δ в зависимости от содержания парамагнитных атомов. С целью определения электронного состояния атомов железа исследованы твердые растворы и оксиды железа FeO, Fe2O3 и Fe3O4 методом NEXAFS-спектроскопии. Анализ Fe2p-спектров NEXAFS железосодержащих твердых растворов и оксидов железа показал, что атомы железа имеют степень окисления +3. В ЭПР-спектре образца с минимальным содержанием железа содержится симметричный сигнал с g = 4,27 со слабым плечом при g ~ 8. В спектрах образцов твердых растворов Bi3Nb1-xFexO7-δ (0,02 ≤ х ≤ 0,04) содержится широкая полоса малой интенсивности в области g ~ 2,28. В ЭПР-спектрах растворов (х> 0,04) проявляется широкая, слегка асимметричная линия, центрированная вокруг g ~ 2,0