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Materiales
cerámicos
ferro-eléctricos y
sus aplicaciones.
- FERROELECTRICIDAD
- Es la reversibilidad de los dipolos
eléctricos espontáneos en un cristal,
mediante la aplicación de un campo
eléctrico.Este fenómeno es además
cooperativo, es decir, la polarización
espontánea de una celdilla unidad
interacciona con las adyacentes
orientándolas en el mismo sentido.
- Es la reversibilidad de los dipolos
eléctricos espontáneos en un cristal,
mediante la aplicación de un campo
eléctrico.Este fenómeno es además
cooperativo, es decir, la polarización
espontánea de una celdilla unidad
interacciona con las adyacentes
orientándolas en el mismo sentido.
- MATERIALE S
CERÁMICOS
FERROELÉCTRICOS Y
SUS APLICACIONES
- a) Dieléctrico, b) Piezoeléctrico, c) Electroestrictivo, d) Piroeléctrico,
e) PTCR:, f) Electroóptio, g) Fotoelectrolito:
- CONDENSADORES
CERÁMICOS
- La forma en que estos materiales son utilizados
es muy variada, atendiendo a las aplicaciones
específicas. Las principales se pueden agrupar
en: a) Película capacitativa, b) Condensadores
discretos, c) Condensadores multicapa, y d)
Condensadores de barrera de capa.
- La forma en que estos materiales son utilizados
es muy variada, atendiendo a las aplicaciones
específicas. Las principales se pueden agrupar
en: a) Película capacitativa, b) Condensadores
discretos, c) Condensadores multicapa, y d)
Condensadores de barrera de capa.
- Película
capacitativa
- En condensadores de película gruesa, tanto los
electrodos como el material dieléctrico poseen espesores
comparables a los requeridos en materiales discretos. Las
películas delgadas de titanatos cerámicos se preparan por
evaporación o «esputtering» reactivo, utilizando
precursores de tipo óxidos o metálicos.
- En condensadores de película gruesa, tanto los
electrodos como el material dieléctrico poseen espesores
comparables a los requeridos en materiales discretos. Las
películas delgadas de titanatos cerámicos se preparan por
evaporación o «esputtering» reactivo, utilizando
precursores de tipo óxidos o metálicos.
- Condensadores
discretos
- Las propiedades dieléctricas finales dependen en gran
medida de la estructura del material (estequiometría,
mezcla de fases...) y de la naturaleza de las materias
primas (impurezas, restos de carbonatos.). Una
tendencia importante en la tecnología cerámica actual
es el empleo de métodos especiales de preparación de
polvos basados en síntesis química. Tales polvos se
prestan a la sinterización a menores temperaturas que
las requeridas normalmente para la densificación de
materiales elaborados por reacción en estado sólido,
produciéndose materiales cerámicos con una estructura
de granos muy uniforme.
- Las propiedades dieléctricas finales dependen en gran
medida de la estructura del material (estequiometría,
mezcla de fases...) y de la naturaleza de las materias
primas (impurezas, restos de carbonatos.). Una
tendencia importante en la tecnología cerámica actual
es el empleo de métodos especiales de preparación de
polvos basados en síntesis química. Tales polvos se
prestan a la sinterización a menores temperaturas que
las requeridas normalmente para la densificación de
materiales elaborados por reacción en estado sólido,
produciéndose materiales cerámicos con una estructura
de granos muy uniforme.
- Condesadores
multícapa
- Dado que en un condensador plano la capacidad es proporcional al área e
inversamente proporcional al espesor, se pueden disponer de condensadores de
alta capacidad en base a materiales de alta constante dieléctrica y pequeño
espesor.Los procesos de fabricación de condensadores cerámicos multicapa
requieren un alto grado de sofisticación que asegure alta tolerancia y bajos costes
de producción. Las materias primas, en general BaTiOs, deben poseer unas
características muy controladas.
- Dado que en un condensador plano la capacidad es proporcional al área e
inversamente proporcional al espesor, se pueden disponer de condensadores de
alta capacidad en base a materiales de alta constante dieléctrica y pequeño
espesor.Los procesos de fabricación de condensadores cerámicos multicapa
requieren un alto grado de sofisticación que asegure alta tolerancia y bajos costes
de producción. Las materias primas, en general BaTiOs, deben poseer unas
características muy controladas.
- Condensadores
de barrera de capa
- Existen dos configuraciones básicas en las que se
conjugan las propiedades semiconductoras y aislantes
de los materiales cerámicos ferroeléctricos, con el fin de
conseguir condensadores de alta constante
dieléctrica,Un condensador de barrera de capa (BL,
barrier layer) (26) se describe como una estructura en la
que una capa reducida semiconductora de titanato de
bario está en contacto con una capa oxidada aislante
del material cerámico. La última está recubierta de un
contraelectrodo. La tendencia actual es la utilización de
condensadores con estructura de capa de borde de
grano (GBBL, grain boundary barrier layer), en los cuales
el material aislante se sitúa rodeando los núcleos de los
granos semiconductores
- Existen dos configuraciones básicas en las que se
conjugan las propiedades semiconductoras y aislantes
de los materiales cerámicos ferroeléctricos, con el fin de
conseguir condensadores de alta constante
dieléctrica,Un condensador de barrera de capa (BL,
barrier layer) (26) se describe como una estructura en la
que una capa reducida semiconductora de titanato de
bario está en contacto con una capa oxidada aislante
del material cerámico. La última está recubierta de un
contraelectrodo. La tendencia actual es la utilización de
condensadores con estructura de capa de borde de
grano (GBBL, grain boundary barrier layer), en los cuales
el material aislante se sitúa rodeando los núcleos de los
granos semiconductores
- MATERIALES
CERÁMICOS
PIEZOELECTRICOS
- Los materiales cerámicos piezoeléctricos con un alto grado de
reproducibilidad sólo pueden alcanzarse mediante la utilización de nuevos
métodos en el procesamiento de polvos cerámicos para su aplicación en
una producción industrial (29). Es bien conocido que el procesamiento
comienza con una estricta selección de materias primas. Los métodos
seguidos abarcan desde la clásica mezcla mecánica de óxidos, hasta
modernas técnicas de obtención de precursores vía química
- Los materiales cerámicos piezoeléctricos con un alto grado de
reproducibilidad sólo pueden alcanzarse mediante la utilización de nuevos
métodos en el procesamiento de polvos cerámicos para su aplicación en
una producción industrial (29). Es bien conocido que el procesamiento
comienza con una estricta selección de materias primas. Los métodos
seguidos abarcan desde la clásica mezcla mecánica de óxidos, hasta
modernas técnicas de obtención de precursores vía química
- MATERIALE S CERÁMICOS
ELECTROESTRICTIVOS
- La obtención de actuadores cerámicos estables y de
grandes prestaciones, se mejora con la utilización de
métodos químicos de obtención de partículas muy
pequeñas y homogéneas. Las aplicaciones de estos
materiales como actuadores piezoeléctricos y
electrostrictivos se maximizan para soluciones sólidas
entre compuestos de diferente estructura que poseen
fronteras morfotrópicas,
- La obtención de actuadores cerámicos estables y de
grandes prestaciones, se mejora con la utilización de
métodos químicos de obtención de partículas muy
pequeñas y homogéneas. Las aplicaciones de estos
materiales como actuadores piezoeléctricos y
electrostrictivos se maximizan para soluciones sólidas
entre compuestos de diferente estructura que poseen
fronteras morfotrópicas,
- MATERIALES
CERÁMICOS
PIROELECTRICOS
- Los materiales cerámicos piroeléctricos tienen como característica
fundamental la de experimentar una variación de la polarización espontánea
con la temperatura (41). Esta propiedad ha dado lugar a un desarrollo muy
importante de detectores de radiación infrarroja conocidos como detectores
piroeléctricos. En un detector piroeléctrico, la radiación induce un cambio en
la temperatura del detector resultando un cambio de la polarización
equivalente al flujo de carga superficial. El detector piroeléctrico, es
fundamentalmente, un dispositivo formado por un elemento sensible a la
radiación (material piroeléctrico), junto a un circuito electrónico que
amplifique la señal para poder realizar su medida y tratamiento.
- Los materiales cerámicos piroeléctricos tienen como característica
fundamental la de experimentar una variación de la polarización espontánea
con la temperatura (41). Esta propiedad ha dado lugar a un desarrollo muy
importante de detectores de radiación infrarroja conocidos como detectores
piroeléctricos. En un detector piroeléctrico, la radiación induce un cambio en
la temperatura del detector resultando un cambio de la polarización
equivalente al flujo de carga superficial. El detector piroeléctrico, es
fundamentalmente, un dispositivo formado por un elemento sensible a la
radiación (material piroeléctrico), junto a un circuito electrónico que
amplifique la señal para poder realizar su medida y tratamiento.
- TERMISTORES
(PTCR)
- Las siglas PTCR se refieren al coeficiente positivo de resistividad con la
temperatura (Positive Temperature Coefficient of Electrical Resistivity),
relacionado con la transición ferroeléctrica-paraeléctrica en titanato de bario
semiconductor y en las soluciones sólidas que forma con el titanato de
estroncio y titanato de plomo (fig. 8) (43). Las propiedades semiconductoras
se obtienen por dopado del titanato de bario con cantidades adecuadas de
donadores eléctricos (ejemplos: La^"^ en lugares de Ba^"^ o Sb^^, Nb^"^ en
sustitución de Ti"^"^). De esta forma se generan electrones libres en la banda
de conducción 3d del titanio: (BaltJL^l^) (TiíÍxTix'^)03, siendo las
concentraciones típicas entre 0.1 y 0.5 moles %. El efecto PTCR no se
manifiesta en monocristales de BaTi03 dopados con tierras raras (44). El
fenómeno PTCR ha sido postulado en base a granos cristalinos dopados con
iones donadores, los cuales presentan en el borde de grano una capa de
mayor resistividad.
- Las siglas PTCR se refieren al coeficiente positivo de resistividad con la
temperatura (Positive Temperature Coefficient of Electrical Resistivity),
relacionado con la transición ferroeléctrica-paraeléctrica en titanato de bario
semiconductor y en las soluciones sólidas que forma con el titanato de
estroncio y titanato de plomo (fig. 8) (43). Las propiedades semiconductoras
se obtienen por dopado del titanato de bario con cantidades adecuadas de
donadores eléctricos (ejemplos: La^"^ en lugares de Ba^"^ o Sb^^, Nb^"^ en
sustitución de Ti"^"^). De esta forma se generan electrones libres en la banda
de conducción 3d del titanio: (BaltJL^l^) (TiíÍxTix'^)03, siendo las
concentraciones típicas entre 0.1 y 0.5 moles %. El efecto PTCR no se
manifiesta en monocristales de BaTi03 dopados con tierras raras (44). El
fenómeno PTCR ha sido postulado en base a granos cristalinos dopados con
iones donadores, los cuales presentan en el borde de grano una capa de
mayor resistividad.
- MATERIALES CERÁMICOS
ELECTROOPTICOS
- Los materiales cerámicos ferroeléctricos son fáciles de
fabricar, con variedad de formas y tamaños, junto con un buen
control dimensional, pero su transparencia óptica es tan baja
que no son utilizables en aplicaciones ópticas. El desarrollo de
métodos especiales de procesamiento conduce a matariales
cerámicos transparentes, mediante la obtención de polvos de
síntesis altamente reactivos (48) o por prensado en caliente.
Los materiales cerámieos ferroeléctricos transparentes se
diferencian de los clásicos materiales cerámicos
ferroeléctricos opacos, por una pequeña concentración de
poros submicrónicos y la ausencia de fase amorfa en los
bordes de grano.
- Los materiales cerámicos ferroeléctricos son fáciles de
fabricar, con variedad de formas y tamaños, junto con un buen
control dimensional, pero su transparencia óptica es tan baja
que no son utilizables en aplicaciones ópticas. El desarrollo de
métodos especiales de procesamiento conduce a matariales
cerámicos transparentes, mediante la obtención de polvos de
síntesis altamente reactivos (48) o por prensado en caliente.
Los materiales cerámieos ferroeléctricos transparentes se
diferencian de los clásicos materiales cerámicos
ferroeléctricos opacos, por una pequeña concentración de
poros submicrónicos y la ausencia de fase amorfa en los
bordes de grano.
- FOTOELECTROLISIS
- Los materiales ferroeléctricos en estado semiconductor pueden ser utilizados para la
fotoelectrólisis del agua (53). En el proceso y debido a la radiación ultravioleta solar, se
generan pares electrón-hueco en elóxido semiconductor, con la energía suficiente para
disociar el agua y obtener hidrógeno como combustible. Los óxidos ferroeléctricos
semiconductores basados en BaTiOs dopado muestran una eficiencia del proceso
mayor que los materiales fotoconductores (Si, Ge, GaAs). Los materiales
fotoconductores se oxidan rápidamente a causa del electrólito, cesando la
fotoelectricidad. Los materiales cerámicos semiconductores presentan una superficie
más estable, siendo inertes a los electrólitos corrosivos. La eficiencia de la conversión
de hidrógeno obtenido es del 20 %.
- Los materiales ferroeléctricos en estado semiconductor pueden ser utilizados para la
fotoelectrólisis del agua (53). En el proceso y debido a la radiación ultravioleta solar, se
generan pares electrón-hueco en elóxido semiconductor, con la energía suficiente para
disociar el agua y obtener hidrógeno como combustible. Los óxidos ferroeléctricos
semiconductores basados en BaTiOs dopado muestran una eficiencia del proceso
mayor que los materiales fotoconductores (Si, Ge, GaAs). Los materiales
fotoconductores se oxidan rápidamente a causa del electrólito, cesando la
fotoelectricidad. Los materiales cerámicos semiconductores presentan una superficie
más estable, siendo inertes a los electrólitos corrosivos. La eficiencia de la conversión
de hidrógeno obtenido es del 20 %.
- a) Dieléctrico, b) Piezoeléctrico, c) Electroestrictivo, d) Piroeléctrico,
e) PTCR:, f) Electroóptio, g) Fotoelectrolito:
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