El titanato de circonato de plomo , también llamado titanato de circonio de plomo y comúnmente abreviado como PZT , es un compuesto inorgánico con la fórmula química Pb[Zr x Ti 1− x ]O 3 (0 ≤ x ≤ 1). . Se trata de un material cerámico de perovskita que muestra un marcado efecto piezoeléctrico , es decir, que el compuesto cambia de forma cuando se le aplica un campo eléctrico. Se utiliza en diversas aplicaciones prácticas, como transductores ultrasónicos y resonadores piezoeléctricos . Es un sólido de color blanco a blanquecino. [1]
El titanato de plomo y circonio se desarrolló por primera vez alrededor de 1952 en el Instituto Tecnológico de Tokio . En comparación con el titanato de bario , un material piezoeléctrico a base de óxido metálico descubierto anteriormente , el titanato de plomo y circonio muestra una mayor sensibilidad y una temperatura de funcionamiento más alta. Las cerámicas piezoeléctricas se eligen para aplicaciones debido a su resistencia física, inercia química y su costo de fabricación relativamente bajo. La cerámica PZT es la cerámica piezoeléctrica más utilizada porque tiene una sensibilidad aún mayor y una temperatura de funcionamiento más alta que otras piezocerámicas. [2] Recientemente, ha habido un gran impulso para encontrar alternativas al PZT debido a las legislaciones en muchos países que restringen el uso de aleaciones y compuestos de plomo en productos comerciales.
Al ser piezoeléctrico, el titanato de circonato de plomo desarrolla un voltaje (o diferencia de potencial) en dos de sus caras cuando se comprime (útil para aplicaciones de sensores) y cambia físicamente de forma cuando se aplica un campo eléctrico externo (útil para aplicaciones de actuadores). [3] La permitividad relativa del titanato de circonato de plomo puede oscilar entre 300 y 20 000, dependiendo de la orientación y el dopaje. [4]
Al ser piroeléctrico , este material desarrolla una diferencia de voltaje a través de dos de sus caras bajo condiciones cambiantes de temperatura; en consecuencia, el titanato de circonato de plomo se puede utilizar como sensor de calor. [5] El titanato de circonato de plomo también es ferroeléctrico , lo que significa que tiene una polarización eléctrica espontánea ( dipolo eléctrico ) que puede invertirse en presencia de un campo eléctrico. [6]
El material presenta una permitividad relativa extremadamente grande en el límite de fase morfotrópica (MPB) cerca de x = 0,52. [7]
Algunas formulaciones son óhmicas hasta al menos250 kV/cm (25 MV/m ), después de lo cual la corriente crece exponencialmente con la intensidad del campo antes de alcanzar la ruptura de avalancha ; pero el titanato de circonato de plomo presenta una ruptura dieléctrica que depende del tiempo: la ruptura puede ocurrir bajo estrés de voltaje constante después de minutos u horas, dependiendo del voltaje y la temperatura, por lo que su rigidez dieléctrica depende de la escala de tiempo en la que se mide. [8] Otras formulaciones tienen resistencias dieléctricas medidas enRango de 8 a 16 MV/m . [9]
Los materiales a base de titanato de circonato de plomo son componentes de condensadores cerámicos y actuadores (tubos) STM / AFM .
El titanato de circonato de plomo se utiliza para fabricar transductores de ultrasonido y otros sensores y actuadores , así como condensadores cerámicos de alto valor y chips FRAM . El titanato de circonato de plomo también se utiliza en la fabricación de resonadores cerámicos para sincronización de referencia en circuitos electrónicos. Las gafas anti-flash con PLZT protegen a la tripulación de quemaduras y ceguera en caso de una explosión nuclear. [10] Las lentes PLZT podrían volverse opacas en menos de 150 microsegundos.
Comercialmente, generalmente no se usa en su forma pura, sino que está dopado con aceptores, que crean vacantes de oxígeno (aniones), o donadores, que crean vacantes de metal (cationes) y facilitan el movimiento de la pared del dominio en el material. En general, el dopaje con aceptor crea titanato de circonato de plomo duro , mientras que el dopaje con donante crea titanato de circonato de plomo blando . El titanato de circonato de plomo duro y blando generalmente difieren en sus constantes piezoeléctricas. Las constantes piezoeléctricas son proporcionales a la polarización o al campo eléctrico generado por unidad de esfuerzo mecánico, o alternativamente es la tensión mecánica producida por cada unidad de campo eléctrico aplicado. En general, el titanato de circonato de plomo blando tiene una constante piezoeléctrica más alta, pero mayores pérdidas en el material debido a la fricción interna . En el titanato de circonato de plomo duro , el movimiento de la pared del dominio está fijado por las impurezas, lo que reduce las pérdidas en el material, pero a expensas de una constante piezoeléctrica reducida.
Una de las composiciones químicas comúnmente estudiadas es PbZr 0,52 Ti 0,48 O 3 . El aumento de la respuesta piezoeléctrica y la eficiencia de polarización cercana a x = 0,52 se debe al mayor número de estados de dominio permitidos en el MPB. En este límite, los 6 posibles estados de dominio de la fase tetragonal ⟨100⟩ y los 8 posibles estados de dominio de la fase romboédrica ⟨111⟩ son igualmente favorables energéticamente, permitiendo así un máximo de 14 posibles estados de dominio. [11]
Al igual que el tantalato de plomo escandio y el titanato de bario y estroncio estructuralmente similares , el titanato de circonato de plomo se puede utilizar para la fabricación de sensores de imágenes infrarrojas de matriz fija no refrigerados para cámaras termográficas . Se utilizan tanto películas delgadas (generalmente obtenidas por deposición química de vapor ) como estructuras a granel. La fórmula del material utilizado suele aproximarse a Pb 1,1 (Zr 0,3 Ti 0,7 )O 3 (llamado titanato de circonato de plomo 30/70). Sus propiedades pueden modificarse dopándolo con lantano , dando como resultado titanato de plomo y circonio dopado con lantano ( titanato de plomo y circonio , también llamado titanato de plomo y circonio ), de fórmula Pb 0,83 La 0,17 (Zr 0,3 Ti 0,7 ) 0,9575 O 3 (zirconato de plomo). titanato 30/17/70). [12] [13]