“Empleo de la Impedancia compleja como una técnica no destructiva para la determinación de la Conductividad eléctrica en cerámicos ferroeléctricos de Bi 4 Ti 3 O 12 ”. María Guadalupe Navarro-Rojero, Fernando Rubio-Marcos 2 , José Fco. Fernández Lozano 2 4 Octubre 2011
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“Empleo de la Impedancia compleja como una técnica no destructiva para la determinación de la Conductividad
eléctrica en cerámicos ferroeléctricos de Bi4Ti3O12”.
María Guadalupe Navarro-Rojero, Fernando Rubio-Marcos2, José Fco. Fernández Lozano2
4 Octubre 2011
ÍNDICE DE CONTENIDO
• Introducción
• Objetivos
• Resultados
• Conclusiones
• Principales características del Titanato de Bismuto
• Correlación de la microestructura con propiedades
eléctricas
• Efecto de la modificación composicional en las
propiedades eléctricas
INTRODUCCIÓN
(Bi2O2)2+(Am-1BmO3m+1)
2- Material Ferroeléctrico libre de plomo
Tc = 675°C
Elevado potencial como piezoeléctrico de
alta temperatura
En forma de lámina delgada se emplea en
memorias en microelectrónica.
Desventajas
Bajos coeficientes piezoeléctricos en los
materiales cerámicos. Ps >> Pr
Crecimiento de placa
Anisotropía de la respuesta eléctrica
Dificultad para determinar la naturaleza de
las fases secundarias
Ventajas
B. Aurivillus, Arkiv (1949).
INTRODUCCIÓN
• Mecanismo de Reacción del BIT
E. Speranskaya, J. Inorg. Mater. 213 (1965).
La formación del BIT de forma directa
2Bi2O3 + 3TiO2 → Bi4Ti3O12
H. Shulman, J. Am. Ceram. Soc. (1996).
6Bi2O3+ TiO2 → Bi12TiO20
Fase Intermedia
Bi12TiO20+ 8TiO2 → 3Bi4Ti3O12
J. S. Patwardhan, J. Mater. Sci. (2004)
M. Carrasco, Appl. Phys. (2005).
• Dos tipos de Bi12TiO20, una de ellas
es la que transforma a la fase de BIT
J. Zhou, Ind. Eng. Chem. Res. (2007).
INTRODUCCIÓN
• Impedancia Compleja
Es una magnitud compleja cuya parte real corresponde con la respuesta eléctrica de un
elemento resistivo y la parte imaginaria es la combinación de un elemento capacitivo y
otro inductivo
L
CiRZ
1*
Voltaje ó
corriente
Analizar la
respuesta
El flujo de carga que atraviesa el
sistema:
Resistencia electrodo
Resistencia muestra
Reacciones electroquímicas
Fases secundarias
Bordes de Grano
Defectos puntuales
Amplitud y desfase de la respuesta
s exp (-Ea/kT)
INTRODUCCIÓN
• Crecimiento de Placa → Conductividad → Relación de aspecto
10mm
Anisotropías en las energías de
los bordes de grano. M. Villegas, J. Am. Ceram. Soc. (1999).
Anisotropía
In sav= A (l / e) + B
Proponiéndose
Ley Exponencial
Reducir s no se traduce mejora prop. piezoeléctricas
l
c e ab
0 2 4 6 8 10
-6
-8
-10
-12
-14
l/t
lnσ(S/cm)
0 2 4 6 8 10
-6
-8
-10
-12
-14
l/t
lnσ(S/cm)
l/e
OBJETIVOS
• Empleo de una técnica no destructiva la Impedancia
Compleja para la caracterización del BIT
• Correlacionar los aspectos microestructurales con la
conductividad
Los materiales cerámicos de BIT son atractivos pero las limitaciones en las
aplicaciones prácticas no han sido resueltas, por lo que es necesario un
estudio de dichas limitaciones y si aún existen vías para solventarlas, con lo
cual se propone:
PROCESAMIENTO
• Cerámico convencional a partir de mezcla homogéneas de los óxidos
3TiO2 + 2Bi2O3. Molienda de
atricción 3 h
Calcinación 600 ó 800 °C
2 h VC=VE= 3°C/min
Molienda de
atricción 4 h
Turbina de alta
velocidad 10 min
4000 rpm
Prensado uniaxial
200 MPa
Sinterización 950-1100°C
2 h VC=VE=3°C/min
Rectificado y
electrodado
Propiedades
Eléctricas
10 20 30 40 50 60 70
Inte
ns
ida
d (
u.a
.)
2 (°)
TiO2
Bi2O
3
Bi2O3 a-Bi2O3
TiO2 rutilo
• TÉCNICAS DE CARACTERIZACIÓN
Análisis Térmico Diferencial, ATD y termogravimétrico, TG
Dilatometría
Difracción de Rayos X, DRX
Espectroscopía Raman
Microscopía Óptica, MORL
Microscopía Electrónica de Barrido, MEB EDS y MEB-EC
Microscopía Electrónica de Trasmisión, MET
Análisis de Imágenes
Espectroscopía de Impedancias
Medidas de Histéresis Ferroeléctrica
Medidas Piezoeléctricas mediante el método de resonancia
2 mm
2 mm
- Caracterización de 6BIT y 8BIT
• Síntesis de Bi4Ti3O12 por reacción en estado sólido a partir de Bi2O3 y TiO2.
6BIT d50 = 0.97 mm
8BIT d50 = 1.28 mm
DRX
MEB
No hay presencia de óxidos partida
falta TiO2
10 20 30 40 50 60 70
6BIT
8BIT
Inte
ns
ida
d (
u.a
.)
Bi12
TiO20
Bi4Ti
3O
12
2 (°)
Polvos calcinados
RESULTADOS
975°C
1025°C
1100°C
6BIT 8BIT
l/e= 2.1
d.e.= 0.8
l/e= 2.0
d.e.= 1.3
l/e= 3.7
d.e.= 2.0
l/e= 3.4
d.e.= 2.2
l/e= 4.3
d.e.= 3.8
l/e= 4.3
d.e.= 3.2
5mm
20mm
5mm
20mm
10mm 10mm
• Influencia de las fases transitorias en la sinterización y propiedades microestructurales del Bi4Ti3O12
• Conductividad Eléctrica mediante Espectroscopía de Impedancia