Materiales piezoeléctricos derivados del (Bi0,5Na0,5)TiO3-BaTiO3preparación y estudio de las propiedades funcionales

Resumen

materiales piezoeléctricos basados en el titanato zirconato de plomo (PZT) son ampliamente utilizados en una gran cantidad de dispositivos electrónicos debido a sus excelentes propiedades eléctricas. Esta mejora de las propiedades tiene lugar en cierta región del diagrama de fases que se relaciona con lo que se denomina transición de fase morfotrópica y depende de la composición. No obstante, el mayor inconveniente que presenta es la presencia de plomo debido a su elevada toxicidad, perjudicial para la salud y el medio ambiente. Por lo tanto, en la actualidad y durante los últimos años, la comunidad científica ha centrado su interés en la búsqueda de nuevos materiales piezoeléctricos libres de plomo capaces de sustituir al PZT. La familia de materiales basados en el titanato de bismuto y sodio (BNT) ha despertado un considerable interés desde los años 60 puesto que presenta características similares a las del PZT y es respetuoso con el medio ambiente. No obstante, las propiedades piezoeléctricas son bajas debido al elevado campo coercitivo que presentan estos materiales y la volatilización de sodio y bismuto durante la preparación, llevan a la obtención de cerámicas con elevadas conductividades. Por ello, con el objetivo de solucionar los inconvenientes presentados por el BNT, el interés se centró en cerámicas basadas en (Bi0,5Na0,5)TiO3-BaTiO3 (BNT-BT). Este sistema presenta una transición de fase morfotrópica donde se obtiene una buena respuesta piezoeléctrica y por lo tanto, es considerado un candidato prometedor para sustituir los materiales piezoeléctricos basados en plomo. No obstante, es importante destacar que se han llevado a cabo un gran número de estudios de este sistema pero no existe una composición exacta en la que se obtienen las mejores propiedades, los resultados obtenidos por distintos grupos de investigación varían. Por lo tanto, es necesario continuar investigando sobre este sistema e intentar mejorar las propiedades funcionales. Así, el principal objetivo en esta tesis ha sido el estudio de diferentes aspectos relacionados con materiales cerámicos basados en el sistema (Bi0,5Na0,5)TiO3-BaTiO3. En este trabajo se ha optimizado la preparación de cerámicas basadas en el BNT-BT mediante reacción en estado sólido y el método Pechini. Estos métodos de síntesis son reproducibles y escalables a nivel industrial para la obtención de cerámicas densas. En concreto, mediante reacción en estado sólido se han obtenido cerámicas con densidades relativas superiores al 97% y mediante el método Pechini se ha conseguido disminuir la temperatura de calcinación respecto a la empleada en la reacción en estado sólido. Con la finalidad de mejorar las propiedades funcionales de estos materiales, además de mediante la variación del método de preparación, se ha estudiado el efecto de la incorporación de dopajes de tipo dador y de tipo aceptor, evaluando tanto el efecto de diferentes dopantes como la concentración. Mediante el dopaje se ha conseguido mejorar las propiedades dieléctricas, ferroeléctricas y piezoeléctricas respecto al BNTBT sin dopar así como, modificar las temperaturas de las transiciones de fase y mejorar su estabilidad dieléctrica frente al campo eléctrico. Finalmente, mediante la preparación de las soluciones precursoras y un control de la estequiometria debido a la presencia de especies volátiles, se han preparado capas delgadas de BNT-BT. Se han logrado obtener capas delgadas de BNT-BT sin dopar y dopadas sin la presencia de fases secundarias de una manera reproducible y escalable industrialmente que nos permitirán estudiar su comportamiento eléctrico.