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titanato de bario

El titanato de bario ( BTO ) es un compuesto inorgánico con fórmula química BaTiO 3 . El titanato de bario aparece blanco como polvo y es transparente cuando se prepara en forma de cristales grandes. Es un material cerámico ferroeléctrico , piroeléctrico y piezoeléctrico que exhibe 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 de 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, excepto la fase cúbica. La fase cúbica de alta temperatura es más fácil de describir, ya que consta de unidades octaédricas de TiO 6 regulares que comparten esquinas y que definen un cubo con vértices O 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 simetría más bajas 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 del Ti 4+ . [3]

Por encima del punto de fusión, el líquido tiene una estructura local notablemente diferente a la de las formas sólidas, con la mayoría del Ti 4+ coordinado con cuatro oxígenos, en unidades tetraédricas de TiO 4 , que coexisten con unidades más 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 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 de forma esférica con un tamaño que puede adaptarse desde unos pocos nanómetros hasta varios cientos de nanómetros disminuyendo la concentración de reactivos. En concentraciones muy bajas, las partículas tienden a desarrollar una morfología similar a la dendrítica, como se muestra 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 desarrolla mediante sinterización en fase líquida . Los monocristales se pueden cultivar a unos 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 . [ Es necesario aclarar ] reacciona con el tricloruro de nitrógeno y produce una mezcla verdosa o gris; las propiedades ferroeléctricas de la mezcla todavía están presentes en esta forma.

Se han dedicado muchos esfuerzos a estudiar la relación entre la morfología de las partículas y sus propiedades. El titanato de bario es uno de los pocos compuestos cerámicos que se sabe que exhibe un crecimiento anormal de grano , en el que grandes granos 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 de masa 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]

Como muchos óxidos , el titanato de bario es insoluble en agua pero atacado por el ácido sulfúrico . 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 a través de la temperatura de Curie . El punto de vértice, donde se encuentran los haces de dominio, se mueve desde el centro en cristales isométricos (arriba) hasta descentrado en oblongos (abajo). [10]

El titanato de bario es una cerámica dieléctrica utilizada 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. [11]

Es un material piezoeléctrico utilizado en micrófonos y otros transductores . La polarización espontánea de monocristales de titanato de bario a temperatura ambiente oscila entre 0,15  C/m 2 en estudios anteriores, [12] y 0,26  C/m 2 en publicaciones más recientes, [13] y su temperatura de Curie está entre 120 y 130 °C. . Las diferencias están relacionadas con la técnica de crecimiento, siendo los cristales anteriores crecidos con flujo menos puros que los cristales actuales crecidos con el proceso Czochralski , [14] que, por lo tanto, tienen una polarización espontánea mayor y una temperatura de Curie más alta.

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

Los cristales de titanato de bario encuentran uso en óptica no lineal . El material tiene una alta ganancia de acoplamiento del haz y puede funcionar en longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. Tiene la reflectividad más alta de los materiales utilizados para aplicaciones de conjugación de fases autobombeadas (SPPC). Se puede utilizar para mezclas de cuatro ondas continuas con potencia óptica en el rango de milivatios. Para aplicaciones fotorrefractivas, el titanato de bario se puede dopar con otros elementos, por ejemplo, hierro . [15]

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

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 usa ampliamente en termistores y elementos calefactores con coeficiente de temperatura positivo . Para estas aplicaciones, el titanato de bario se fabrica con dopantes para darle al material propiedades semiconductoras. Las aplicaciones específicas incluyen protección contra sobrecorriente para motores, balastros para luces fluorescentes, calentadores de aire para cabinas de automóviles y calentadores de espacios de consumo. [17] [18]

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 uso en vehículos eléctricos. [19]

Debido a su elevada biocompatibilidad , las nanopartículas de titanato de bario (BTNP) se han empleado recientemente como nanoportadores para la administración de fármacos . [20]

Se ha informado del efecto magnetoeléctrico de fuerzas gigantes en películas delgadas cultivadas sobre sustratos de titanato de bario. [21] [22]

ocurrencia natural

La barioperovskita es un análogo natural muy raro del BaTiO3 , que se encuentra como microinclusiones en la benitoita . [23]

Ver 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. Medios de ciencia y negocios de Springer. pag. 357.ISBN​ 978-3-319-01550-7.
  3. ^ Manuel Gaudón. Distorsiones fuera del centro alrededor de un Ti4+ coordinado octaédricamente en BaTiO3. Poliedro, Elsevier, 2015, 88, págs.6-10. <10.1016/j.poly.2014.12.004>. <hal-01112286>
  4. ^ Concejal OLG; Benmore C; Neuefeind J; Tamalonis A; Weber R (2019). "Titanato de bario fundido: un análogo de silicato líquido a alta presión". Revista de Física: Materia Condensada . 31 (20): 20LT01. Código Bib : 2019JPCM...31tLT01A. doi :10.1088/1361-648X/ab0939. OSTI  1558227. PMID  30790768. S2CID  73498849.
  5. ^ Selvaraj, M.; Venkatachalapatía, V.; Mayandi, J.; Karazhanov, S.; Pearce, JM (2015). "Preparación de fases metaestables de titanato de bario por método Sol-hidrotermal". Avances de la AIP . 5 (11): 117119. Código bibliográfico : 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 grano
  8. ^ Nyutu, Edward K.; Chen, Chun-Hu; Dutta, Prabir K.; Suib, Steven L. (2008). "Efecto de la frecuencia de microondas sobre la síntesis hidrotermal de titanato de bario tetragonal nanocristalino". La Revista de Química Física C. 112 (26): 9659. CiteSeerX 10.1.1.660.3769 . doi : 10.1021/jp7112818. 
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  20. ^ 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.
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enlaces externos

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