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ferrita de bismuto

La ferrita de bismuto (BiFeO 3 , también conocida comúnmente como BFO en la ciencia de materiales) es un compuesto químico inorgánico con estructura de perovskita y uno de los materiales multiferroicos más prometedores . [1] La fase a temperatura ambientedel BiFeO 3 se clasifica como romboédrica y pertenece al grupo espacial R3c. [2] [3] [4] Se sintetiza en forma masiva y de película delgada y tanto su temperatura Néel antiferromagnética (orden tipo G)(aproximadamente 653 K) como su temperatura Curie ferroeléctrica están muy por encima de la temperatura ambiente (aproximadamente 1100 K). [5] [6] La polarización ferroeléctricaocurre a lo largo de la dirección pseudocúbica () con una magnitud de 90–95 μC/cm 2 . [7] [8]

Preparación de la muestra

La ferrita de bismuto no es un mineral natural y se han desarrollado varias rutas de síntesis para obtener el compuesto.

Síntesis de estado sólido

En el método de reacción en estado sólido [9], el óxido de bismuto (Bi 2 O 3 ) y el óxido de hierro (Fe 2 O 3 ) en una proporción molar de 1:1 se mezclan con un mortero o mediante un molino de bolas y luego se cuecen a temperaturas elevadas. La preparación de BiFeO 3 estequiométrico puro es un desafío debido a la volatilidad del bismuto durante la cocción, lo que conduce a la formación de una fase secundaria estable Bi 25 FeO 39 ( selenita ) y Bi 2 Fe 4 O 9 ( mullita ). Normalmente se utiliza una temperatura de cocción de 800 a 880 Celsius durante 5 a 60 minutos con un enfriamiento posterior rápido. El exceso de Bi 2 O 3 también se ha utilizado como medida para compensar la volatilidad del bismuto y evitar la formación de la fase Bi 2 Fe 4 O 9 .

Crecimiento monocristalino

La ferrita de bismuto se funde de manera incongruente, pero se puede cultivar a partir de un fundente rico en óxido de bismuto (por ejemplo, una mezcla 4:1:1 de Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 y B 2 O 3 a aproximadamente 750-800 Celsius). [2] Los monocristales de alta calidad han sido importantes para estudiar las propiedades ferroeléctricas , antiferromagnéticas y magnetoeléctricas de la ferrita de bismuto.

Rutas químicas

Para preparar la fase pura de BiFeO 3 se han utilizado rutas de síntesis química húmeda basadas en la química sol-gel , rutas de Pechini modificadas, [10] síntesis hidrotermal [11] y precipitación . La ventaja de las rutas químicas es la homogeneidad composicional de los precursores y la reducida pérdida de bismuto debido a las temperaturas mucho más bajas necesarias. En las rutas sol-gel, se calcina un precursor amorfo a 300-600 Celsius para eliminar residuos orgánicos y promover la cristalización de la fase de perovskita de ferrita de bismuto, mientras que la desventaja es que el polvo resultante debe sinterizarse a alta temperatura para formar un policristal denso. .

La reacción de combustión de la solución es un método de bajo costo utilizado para sintetizar BiFeO 3 poroso . En este método, se utilizan un agente reductor (como glicina, ácido cítrico, urea, etc.) y un agente oxidante (iones nitrato, ácido nítrico, etc.) para generar la reacción de reducción-oxidación (RedOx). El aspecto de la llama, y ​​en consecuencia la temperatura de la mezcla, depende de la relación agentes oxidantes/reductores utilizados. [12] A veces es necesario un recocido de hasta 600 °C para descomponer los oxonitratos de bismuto generados como productos intermedios. Dado el contenido de cationes Fe en este material semiconductor, la espectroscopía de Mässbauer es una técnica adecuada para detectar la presencia de un componente paramagnético en la fase.

Peliculas delgadas

Las propiedades eléctricas y magnéticas de las películas delgadas epitaxiales de ferrita de bismuto de alta calidad reportadas en 2003 [1] revivieron el interés científico por la ferrita de bismuto. Las películas delgadas epitaxiales tienen la gran ventaja de que sus propiedades pueden ajustarse mediante procesamiento [13] o dopaje químico [14] y que pueden integrarse en circuitos electrónicos . La tensión epitaxial inducida por sustratos monocristalinos con parámetros de red diferentes a los de la ferrita de bismuto se puede utilizar para modificar la estructura cristalina a simetría monoclínica o tetragonal y cambiar las propiedades ferroeléctricas, piezoeléctricas o magnéticas. [15] La deposición por láser pulsado (PLD) es una ruta muy común para obtener películas epitaxiales de BiFeO 3 , y normalmente se utilizan sustratos de SrTiO 3 con electrodos de SrRuO 3 . La pulverización catódica , la epitaxia de haz molecular (MBE), [16] la deposición química de vapor de metal orgánico (MOCVD), la deposición de capa atómica (ALD) y la deposición de solución química son otros métodos para preparar películas delgadas de ferrita de bismuto epitaxial. Además de sus propiedades magnéticas y eléctricas, la ferrita de bismuto también posee propiedades fotovoltaicas conocidas como efecto ferroeléctrico fotovoltaico (FPV).

Aplicaciones

Al ser un material multiferroico a temperatura ambiente y debido a su efecto ferroeléctrico fotovoltaico (FPV), la ferrita de bismuto tiene varias aplicaciones en el campo del magnetismo , la espintrónica , la fotovoltaica , etc.

Fotovoltaica

En el efecto FPV, se genera una fotocorriente en un material ferroeléctrico bajo iluminación y su dirección depende de la polarización ferroeléctrica de ese material. El efecto FPV tiene un potencial prometedor como alternativa a los dispositivos fotovoltaicos convencionales. Pero el principal obstáculo es que se genera una fotocorriente muy pequeña en materiales ferroeléctricos como LiNbO 3 , [17], lo que se debe a su gran banda prohibida y su baja conductividad. En esta dirección, la ferrita de bismuto ha mostrado un gran potencial ya que se observa en este material bajo iluminación un gran efecto de fotocorriente y un voltaje de banda prohibida superior [18] . La mayoría de los trabajos que utilizan ferrita de bismuto como material fotovoltaico se han informado en su forma de película delgada, pero en algunos informes los investigadores han formado una estructura bicapa con otros materiales como polímeros, grafeno y otros semiconductores. En un informe, se formó una heterounión de pines con nanopartículas de ferrita de bismuto junto con dos capas transportadoras de portadores a base de óxido. [19] A pesar de tales esfuerzos, la eficiencia de conversión de energía obtenida a partir de ferrita de bismuto sigue siendo muy baja.

Referencias

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