stringtranslate.com

Titanato de bario

El titanato de bario ( BTO ) es un compuesto inorgánico con la fórmula química BaTiO3 . El titanato de bario se presenta en forma de polvo blanco y es transparente cuando se prepara en forma de cristales grandes. Es un material cerámico ferroeléctrico , piroeléctrico y piezoeléctrico que exhibe el efecto fotorrefractivo . Se utiliza en condensadores , transductores electromecánicos y óptica no lineal .

Estructura

Estructura del BaTiO 3 cúbico . Las esferas rojas son centros de óxido, las azules son cationes Ti 4+ y las esferas verdes son Ba 2+ .

El sólido existe en uno de cuatro polimorfos dependiendo de la temperatura. De alta a baja temperatura, estas simetrías cristalinas de los cuatro polimorfos son estructura cristalina cúbica , tetragonal , ortorrómbica y romboédrica . Todas estas fases exhiben el efecto ferroeléctrico aparte de la fase cúbica. La fase cúbica de alta temperatura es la más fácil de describir, ya que consiste en unidades octaédricas regulares de TiO 6 que comparten vértices y definen un cubo con O vértices y aristas Ti-O-Ti. En la fase cúbica, Ba 2+ se encuentra en el centro del cubo, con un número de coordinación nominal de 12. Las fases de menor simetría se estabilizan a temperaturas más bajas e implican el movimiento del Ti 4+ a posiciones descentradas. Las notables propiedades de este material surgen del comportamiento cooperativo de las distorsiones de Ti 4+ . [3]

Por encima del punto de fusión, el líquido tiene una estructura local notablemente diferente a las formas sólidas, con la mayoría de Ti 4+ coordinado con cuatro oxígenos, en unidades tetraédricas de TiO 4 , que coexisten con unidades más altamente coordinadas. [4]

Propiedades de producción y manipulación

Imágenes de Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) que muestran partículas de BaTiO 3 . Las diferentes morfologías dependen de las condiciones de síntesis (precipitación, síntesis hidrotermal y solvotermal): el tamaño y la forma se pueden variar cambiando la concentración de precursores, la temperatura de reacción y el tiempo. El color (si se agrega) ayuda a enfatizar los niveles de escala de grises. En general, la síntesis de titanato de bario por precipitación a partir de una solución acuosa permite producir partículas con forma esférica con un tamaño que se puede adaptar desde unos pocos nanómetros hasta varios cientos de nanómetros disminuyendo la concentración de reactivos. A concentraciones muy bajas, las partículas tienen la tendencia a desarrollar una morfología similar a la dendrítica, como se informa en las imágenes.

El titanato de bario se puede sintetizar mediante el método sol-hidrotermal relativamente simple . [5] El titanato de bario también se puede fabricar calentando carbonato de bario y dióxido de titanio . La reacción se lleva a cabo mediante sinterización en fase líquida . Se pueden cultivar monocristales a alrededor de 1100 °C a partir de fluoruro de potasio fundido . [6] A menudo se añaden otros materiales como dopantes , por ejemplo, Sr para formar soluciones sólidas con titanato de estroncio . El titanato de bario reacciona con tricloruro de nitrógeno y produce una mezcla verdosa o gris; las propiedades ferroeléctricas de la mezcla todavía están presentes en esta forma.

Se ha dedicado mucho esfuerzo a estudiar la relación entre la morfología de las partículas y sus propiedades. El titanato de bario es uno de los pocos compuestos cerámicos conocidos por exhibir un crecimiento anormal del grano , en el que los granos grandes y facetados crecen en una matriz de granos más finos, con profundas implicaciones en la densificación y las propiedades físicas. [7] El titanato de bario nanocristalino completamente denso tiene una permitividad un 40% mayor que el mismo material preparado de manera clásica. [8] Se ha demostrado que la adición de inclusiones de titanato de bario al estaño produce un material a granel con una rigidez viscoelástica mayor que la de los diamantes. El titanato de bario pasa por dos transiciones de fase que cambian la forma y el volumen del cristal. Este cambio de fase conduce a compuestos donde los titanatos de bario tienen un módulo volumétrico negativo ( módulo de Young ), lo que significa que cuando una fuerza actúa sobre las inclusiones, hay un desplazamiento en la dirección opuesta, lo que endurece aún más el compuesto. [9]

Al igual que muchos óxidos , el titanato de bario es insoluble en agua, pero es atacado por el ácido sulfúrico . También es soluble en ácido clorhídrico concentrado y ácido fluorhídrico . [10] Su banda prohibida a temperatura ambiente es de 3,2 eV, pero aumenta a ~3,5 eV cuando el tamaño de partícula se reduce de aproximadamente 15 a 7 nm. [1]

Usos

Microscopía electrónica de transmisión de barrido de los dominios ferroelásticos que se forman en BaTiO 3 al enfriarse hasta la temperatura de Curie . El punto de vértice, donde se encuentran los haces de dominios, se mueve desde el centro en los cristales isométricos (arriba) hasta el descentrado en los oblongos (abajo). [11]

El titanato de bario es un material cerámico dieléctrico utilizado en condensadores , con valores de constante dieléctrica de hasta 7000. En un rango de temperatura estrecho, son posibles valores de hasta 15 000; los materiales cerámicos y poliméricos más comunes tienen valores inferiores a 10, mientras que otros, como el dióxido de titanio (TiO 2 ), tienen valores entre 20 y 70. [12]

Es un material piezoeléctrico utilizado en micrófonos y otros transductores . La polarización espontánea de los monocristales de titanato de bario a temperatura ambiente oscila entre 0,15  C/m 2 en estudios anteriores, [13] y 0,26  C/m 2 en publicaciones más recientes, [14] y su temperatura de Curie está entre 120 y 130 °C. Las diferencias están relacionadas con la técnica de crecimiento, ya que los primeros cristales cultivados con fundente son menos puros que los cristales actuales cultivados con el proceso Czochralski , [15] que, por lo tanto, tienen una mayor polarización espontánea y una temperatura de Curie más alta.

Como material piezoeléctrico , ha sido reemplazado en gran medida por el titanato de zirconato de plomo , también conocido como PZT. El titanato de bario policristalino tiene un coeficiente de temperatura de resistencia positivo, lo que lo convierte en un material útil para termistores y sistemas de calefacción eléctrica autorregulables.

Los cristales de titanato de bario se utilizan en óptica no lineal . El material tiene una alta ganancia de acoplamiento del haz y puede utilizarse en longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. Tiene la reflectividad más alta de los materiales utilizados para aplicaciones de conjugación de fase autobombeada (SPPC). Se puede utilizar para la mezcla de cuatro ondas de onda continua con una potencia óptica de rango de milivatios. Para aplicaciones fotorrefractivas, el titanato de bario se puede dopar con varios otros elementos, por ejemplo, hierro . [16]

Las películas delgadas de titanato de bario muestran modulación electroóptica a frecuencias superiores a 40 GHz. [17]

Las propiedades piroeléctricas y ferroeléctricas del titanato de bario se utilizan en algunos tipos de sensores no refrigerados para cámaras térmicas .

El titanato de bario se utiliza ampliamente en termistores y elementos calefactores con coeficientes de temperatura positivos . Para estas aplicaciones, el titanato de bario se fabrica con dopantes para otorgarle al material propiedades semiconductoras. Las aplicaciones específicas incluyen protección contra sobrecorriente para motores, balastos para luces fluorescentes, calentadores de aire de cabina de automóviles y calentadores de ambiente para consumidores. [18] [19]

Se informa que el polvo de titanato de bario de alta pureza es un componente clave de los nuevos sistemas de almacenamiento de energía de condensadores de titanato de bario para su uso en vehículos eléctricos. [20]

Debido a su elevada biocompatibilidad , las nanopartículas de titanato de bario (BTNP) se han empleado recientemente como nanotransportadores para la administración de fármacos . [21]

Se han descrito efectos magnetoeléctricos de fuerzas gigantes en películas delgadas cultivadas sobre sustratos de titanato de bario. [22] [23]

Ocurrencia natural

La barioperovskita es un análogo natural muy raro de BaTiO 3 , que se encuentra como microinclusiones en la benitoíta . [24]

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Suzuki, Keigo; Kijima, Kazunori (2005). "Separación de banda óptica de nanopartículas de titanato de bario preparadas mediante deposición química de vapor de plasma de RF". Japón. J. Aplica. Física . 44 (4A): 2081–2082. Código Bib : 2005JaJAP..44.2081S. doi :10.1143/JJAP.44.2081. S2CID  122166759.
  2. ^ Tong, Xingcun Colin (2013). Materiales avanzados para guías de ondas ópticas integradas. Springer Science & Business Media. pág. 357. ISBN 978-3-319-01550-7.
  3. ^ Manuel Gaudon. Distorsiones descentradas alrededor de un Ti4+ coordinado octaédricamente en BaTiO3. Polyhedron, Elsevier, 2015, 88, pp.6-10. <10.1016/j.poly.2014.12.004>. <hal-01112286>
  4. ^ Alderman OLG; Benmore C; Neuefeind J; Tamalonis A; Weber R (2019). "Titanato de bario fundido: un análogo de silicato líquido de alta presión". Journal of Physics: Condensed Matter . 31 (20): 20LT01. Bibcode :2019JPCM...31tLT01A. doi :10.1088/1361-648X/ab0939. OSTI  1558227. PMID  30790768. S2CID  73498849.
  5. ^ Selvaraj, M.; Venkatachalapathy, V.; Mayandi, J.; Karazhanov, S.; Pearce, JM (2015). "Preparación de fases metaestables de titanato de bario mediante el método sol-hidrotermal". AIP Advances . 5 (11): 117119. Bibcode :2015AIPA....5k7119S. doi : 10.1063/1.4935645 .
  6. ^ Galasso, Francisco S. (1973). "Titanato de bario, BaTiO 3 ". Síntesis inorgánicas . vol. 14. págs. 142-143. doi :10.1002/9780470132456.ch28. ISBN 9780470132456.
  7. ^ Journal of Crystal Growth 2012, Volumen 359, Páginas 83-91, Crecimiento anormal de granos
  8. ^ Nyutu, Edward K.; Chen, Chun-Hu; Dutta, Prabir K.; Suib, Steven L. (2008). "Efecto de la frecuencia de microondas en la síntesis hidrotermal de titanato de bario tetragonal nanocristalino". The Journal of Physical Chemistry C . 112 (26): 9659. CiteSeerX 10.1.1.660.3769 . doi :10.1021/jp7112818. 
  9. ^ Jaglinski, T.; Kochmann, D.; Stone, D.; Lakes, RS (2007). "Materiales compuestos con rigidez viscoelástica mayor que la del diamante". Science . 315 (5812): 620–2. Bibcode :2007Sci...315..620J. CiteSeerX 10.1.1.1025.8289 . doi :10.1126/science.1135837. PMID  17272714. S2CID  25447870. 
  10. ^ Trento, Chin (27 de diciembre de 2023). "Titanato de bario: la columna vertebral de la industria cerámica electrónica". Stanford Advanced Materials . Consultado el 15 de octubre de 2024 .
  11. ^ Scott, JF; Schilling, A.; Rowley, SE; Gregg, JM (2015). "Algunos problemas actuales en nanoferroeléctricos y multiferroicos de perovskita: sistemas cinéticamente limitados de tamaño lateral finito". Ciencia y tecnología de materiales avanzados . 16 (3): 036001. Bibcode :2015STAdM..16c6001S. doi :10.1088/1468-6996/16/3/036001. PMC 5099849 . PMID  27877812. 
  12. ^ Waugh, Mark D (2010). "Soluciones de diseño para polarización de CC en capacitores cerámicos multicapa" (PDF) . Electronic Engineering Times . Archivado desde el original (PDF) el 2020-11-02 . Consultado el 2016-11-25 .
  13. ^ von Hippel, A. (1 de julio de 1950). "Ferroelectricidad, estructura de dominio y transiciones de fase del titanato de bario". Reseñas de física moderna . 22 (3): 221–237. Bibcode :1950RvMP...22..221V. doi :10.1103/RevModPhys.22.221.
  14. ^ Shieh, J.; Yeh, JH; Shu, YC; Yen, JH (15 de abril de 2009). "Comportamientos de histéresis de monocristales de titanato de bario basados ​​en el funcionamiento de múltiples sistemas de conmutación de 90°". Ciencia e ingeniería de materiales: B . Actas de la reunión conjunta de la 2.ª Conferencia internacional sobre ciencia y tecnología para cerámicas avanzadas (STAC-II) y la 1.ª Conferencia internacional sobre ciencia y tecnología de superficies sólidas e interfaces (STSI-I). 161 (1–3): 50–54. doi :10.1016/j.mseb.2008.11.046. ISSN  0921-5107.
  15. ^ Godefroy, Geneviève (1996). "Ferroelectricidad". Techniques de l'Ingénieur Matériaux Pour l'Électronique et Dispositifs Associés (en francés). documental base: TIB271DUO. (artículo de referencia: e1870).
  16. ^ "Cristal Fe:LiNbO3". redoptronics.com .
  17. ^ Tang, Pingsheng; Towner, D.; Hamano, T.; Meier, A.; Wessels, B. (2004). "Modulación electroóptica hasta 40 GHz en un modulador de guía de onda de película delgada de titanato de bario". Optics Express . 12 (24): 5962–7. Bibcode :2004OExpr..12.5962T. doi : 10.1364/OPEX.12.005962 . PMID  19488237.
  18. ^ Termistores PTC, información técnica general (PDF) . EPCOS AG. 2016 . Consultado el 9 de mayo de 2022 .
  19. ^ "Pelonis USA: Información útil". Archivado desde el original el 5 de diciembre de 1998.
  20. ^ "Compatibilidad de nanopartículas: nueva técnica de procesamiento de nanocompuestos crea capacitores más potentes". gatech.edu . 26 de abril de 2007 . Consultado el 6 de junio de 2009 .
  21. ^ Genchi, GG; Marino, A.; Rocca, A.; Mattoli, V.; Ciofani, G. (5 de mayo de 2016). "Nanopartículas de titanato de bario: vectores multitarea prometedores en nanomedicina". Nanotecnología . 27 (23): 232001. Bibcode :2016Nanot..27w2001G. doi :10.1088/0957-4484/27/23/232001. ISSN  0957-4484. PMID  27145888. S2CID  37287359.
  22. ^ Eerenstein, W.; Mathur, ND; Scott, JF (agosto de 2006). "Materiales multiferroicos y magnetoeléctricos". Nature . 442 (7104): 759–765. Bibcode :2006Natur.442..759E. doi :10.1038/nature05023. ISSN  1476-4687. PMID  16915279. S2CID  4387694.
  23. ^ Rafique, Mohsin (mayo de 2017). "Respuesta magnetoeléctrica gigante a temperatura ambiente en nanocompuestos controlados por deformación". Applied Physics Letters . 110 (20): 202902. Bibcode :2017ApPhL.110t2902R. doi :10.1063/1.4983357.
  24. ^ Ma, Chi; Rossman, George R. (2008). "Barioperovskita, BaTiO 3 , un nuevo mineral de la mina Benitoite, California". Mineralogista estadounidense . 93 (1): 154–157. Código Bibliográfico :2008AmMin..93..154M. doi :10.2138/am.2008.2636. S2CID  94469497.

Enlaces externos

Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Titanato de bario .