Estudio de materiales cerámicos de alta constante dielétrica basados en CaCu3Ti4O12

Resumen

La creciente demanda de dispositivos microelectrónicos de pequeño tamaño lleva asociada la necesidad de estudiar materiales que puedan emplearse como condensadores, sin que sus propiedades eléctricas se vean comprometidas por la disminución de su tamaño. En el año 2000, Subramanian y col. [i] pusieron por primera vez de manifiesto las inusuales propiedades dieléctricas de la perovskita cúbica distorsionada CaCu3Ti4O12, comúnmente conocida como CCTO. El CCTO presenta un alto valor de constante dieléctrica, del orden de 2.5x105 para materiales cerámicos [ii], que permanece estable en un amplio rango de frecuencias y temperaturas [iii En la presente memoria se abordará la correlación entre las variables del procesamiento cerámico, la estructura, la micro-nanoestructura y las propiedades derivadas de materiales cerámicos tipo CCTO. El trabajo desarrollado se ha estructurado en ocho capítulos, que se describen brevemente a continuación. ], condiciones que hacen que sea un buen candidato para su uso como condensador. El inconveniente que presenta el material, y que impide su funcionalidad en la actualidad, es el alto valor de pérdidas dieléctricas que presenta. Además, el CCTO es muy sensible a las condiciones de procesado, lo que complica su empleo industrial al no existir un conocimiento adecuado de la relación entre las condiciones de procesado y las propiedades del material. Por ello, resulta de gran importancia determinar el origen de la alta constante dieléctrica para poder corregir las altas perdidas dieléctricas asociadas. El capítulo uno consta de una primera parte en la que se introducen la motivación del trabajo, las características estructurales de los materiales tipo perovskita y una aproximación general a los aspectos más relevantes de los materiales con alta constante dieléctrica. A continuación, se expone una revisión de los aspectos estructurales, microestructurales y eléctricos más destacados del CCTO, así como una descripción de las características del material en función del método de procesado y conformado empleados. En el capítulo dos se presenta el objetivo general y los objetivos parciales que persigue el trabajo. El procedimiento experimental seguido para la obtención de las cerámicas estudiadas en la presente memoria se describe en el capítulo tres, junto a una breve descripción de las distintas técnicas de caracterización empleadas. Los capítulos cuatro, cinco, seis y siete detallan los resultados originales obtenidos en este trabajo. En el capítulo cuatro se describen las diferencias estructurales de los polvos en verde de CCTO al emplear dos procesos de calcinación distintos, y como afectan estos al proceso de sinterización y posterior microestructura de las cerámicas. En este capítulo se pone de manifiesto la relevancia de la fase intergranular en el proceso de sinterización y en la microestructura final que presentan las cerámicas. En el capítulo cinco se detallan las propiedades eléctricas de las cerámicas CCTO, correlacionando el efecto que tiene la fase intergranular sobre la microestructura y propiedades eléctricas de las cerámicas. A la luz de este estudio se evidencian algunas carencias del modelo IBLC que impiden explicar satisfactoriamente las propiedades de las cerámicas CCTO, proponiéndose diversas correcciones. En el capítulo seis se aborda el estudio estructural, microestructural y eléctrico de las cerámicas CCTO dopadas con cationes aceptores y donadores, comparando los resultados con los obtenidos en las cerámicas sin dopar. Esta caracterización confirma las deficiencias del modelo IBLC para explicar completamente las características de las cerámicas bajo estudio y revela la presencia de bordes de grano de distinta naturaleza. De este modo, en el capítulo siete se propone un modelo para explicar el comportamiento de la barrera intergranular en base a una unión n-p-n, que concilia los diferentes comportamientos eléctricos observados en las cerámicas tipo CCTO. Por último, en el capítulo ocho se resumen las conclusiones y resultados más relevantes obtenidos en el presente trabajo.