La ferrita de bismuto (BiFeO 3 , también conocida comúnmente como BFO en la ciencia de los materiales) es un compuesto químico inorgánico con estructura de perovskita y uno de losmateriales multiferroicos más prometedores. [1] La fase de temperatura ambientede BiFeO 3 se clasifica como romboédrica y pertenece al grupo espacial R3c. [2] [3] [4] Se sintetiza en forma de película delgada yy tanto su temperatura de Néel antiferromagnética (ordenamiento de tipo G)(aproximadamente 653 K) como su temperatura de 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]
La ferrita de bismuto no es un mineral natural y se han desarrollado varias rutas de síntesis para obtener el compuesto.
En el método de reacción en estado sólido [9], el óxido de bismuto ( Bi2O3 ) y el óxido de hierro (Fe2O3 ) en una proporción molar de 1:1 se mezclan con un mortero o mediante molienda de bolas y luego se cuecen a temperaturas elevadas. La preparación de BiFeO3 estequiométrico puro es un desafío debido a la volatilidad del bismuto durante la cocción, que conduce a la formación de una fase secundaria estable de Bi25FeO39 ( selenito ) y Bi2Fe4O9 ( mullita ) . Por lo general , se utiliza una temperatura de cocción de 800 a 880 Celsius durante 5 a 60 minutos con un enfriamiento posterior rápido. El exceso de Bi2O3 también se ha utilizado como medida para compensar la volatilidad del bismuto y evitar la formación de la fase Bi2Fe4O9 .
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.
Se han utilizado rutas de síntesis química húmeda basadas en la química sol-gel , rutas de Pechini modificadas, [10] síntesis hidrotermal [11] y precipitación para preparar BiFeO 3 en fase pura . La ventaja de las rutas químicas es la homogeneidad compositiva de los precursores y la pérdida reducida de bismuto debido a las temperaturas mucho más bajas necesarias. En las rutas sol-gel, un precursor amorfo se calcina a 300-600 Celsius para eliminar los 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 hacer un policristal denso .
La reacción de combustión en solución es un método de bajo costo utilizado para sintetizar BiFeO 3 poroso . En este método, se utiliza 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). La apariencia de la llama y, en consecuencia, la temperatura de la mezcla, depende de la relación de agentes oxidantes/reductores utilizados. [12] A veces se necesita recocido hasta 600 °C para descomponer los oxonitratos de bismuto generados como intermediarios. Dado el contenido de cationes Fe en este material semiconductor, la espectroscopia de Mössbauer es una técnica adecuada para detectar la presencia de un componente paramagnético en la fase.
Las propiedades eléctricas y magnéticas de películas delgadas epitaxiales de ferrita de bismuto de alta calidad reportadas en 2003 [1] reavivaron el interés científico por la ferrita de bismuto. Las películas delgadas epitaxiales tienen la gran ventaja de que sus propiedades se pueden ajustar mediante procesamiento [13] o dopaje químico, [14] y que se pueden integrar en circuitos electrónicos . La deformación epitaxial inducida por sustratos monocristalinos con diferentes parámetros de red que 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 películas epitaxiales de BiFeO 3 , y normalmente se utilizan sustratos de SrTiO 3 con electrodos de SrRuO 3 . Otros métodos para preparar películas delgadas epitaxiales de ferrita de bismuto son la pulverización catódica , la epitaxia de haz molecular (MBE), [16] la deposición química en fase de vapor de organometal (MOCVD), la deposición de capa atómica (ALD) y la deposición de solución química. Además de sus propiedades magnéticas y eléctricas, la ferrita de bismuto también posee propiedades fotovoltaicas , conocidas como efecto fotovoltaico ferroeléctrico (FPV).
Al ser un material multiferroico a temperatura ambiente y debido a su efecto fotovoltaico ferroeléctrico (FPV), la ferrita de bismuto tiene varias aplicaciones en el campo del magnetismo , la espintrónica , la fotovoltaica , etc.
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 LiNbO3 , [ 17] lo que se debe a su gran brecha de banda y baja conductividad. En esta dirección, la ferrita de bismuto ha demostrado un gran potencial ya que se observa un gran efecto de fotocorriente y un voltaje por encima de la brecha de banda [18] en este material bajo iluminación. 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 de bicapa con otros materiales como polímeros, grafeno y otros semiconductores. En un informe, se ha formado una heterojunción de pin con nanopartículas de ferrita de bismuto junto con dos capas de transporte de portadores basadas en óxido. [19] A pesar de estos esfuerzos, la eficiencia de conversión de energía obtenida a partir de la ferrita de bismuto sigue siendo muy baja.
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.106
