El titanato de zirconato de plomo , también llamado titanato de plomo y circonio y comúnmente abreviado como PZT , es un compuesto inorgánico con la fórmula química Pb[Zr x Ti 1− x ]O 3 (0 ≤ x ≤ 1) . Es un material de perovskita cerámica que muestra un marcado efecto piezoeléctrico , lo que significa que el compuesto cambia de forma cuando se aplica un campo eléctrico. Se utiliza en varias 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 de Tecnología de Tokio . En comparación con el titanato de bario , un material piezoeléctrico basado en óxido metálico descubierto anteriormente , el titanato de plomo y circonio exhibe una mayor sensibilidad y tiene 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 zirconato 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 zirconato de plomo puede variar de 300 a 20000, 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 de temperatura cambiantes; en consecuencia, el titanato de zirconato de plomo se puede utilizar como sensor de calor. [5] El titanato de zirconato de plomo también es ferroeléctrico , lo que significa que tiene una polarización eléctrica espontánea ( dipolo eléctrico ) que se puede invertir 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 por avalancha ; pero el titanato de zirconato de plomo exhibe una ruptura dieléctrica dependiente 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 rigidez dieléctrica medida en elRango de 8 a 16 MV/m . [9]
Los materiales a base de titanato de zirconato de plomo son componentes de condensadores cerámicos y actuadores (tubos) STM / AFM .
El titanato de zirconato de plomo se utiliza para fabricar transductores de ultrasonidos y otros sensores y actuadores , así como condensadores cerámicos de alto valor y chips FRAM . El titanato de zirconato de plomo también se utiliza en la fabricación de resonadores cerámicos para la sincronización de referencia en circuitos electrónicos. Las gafas antideslumbrantes 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, no se suele utilizar en su forma pura, sino que se dopa con aceptores, que crean vacantes de oxígeno (aniones), o donantes, que crean vacantes de metal (cationes) y facilitan el movimiento de la pared del dominio en el material. En general, el dopaje del aceptor crea titanato de zirconato de plomo duro , mientras que el dopaje del donante crea titanato de zirconato de plomo blando . El titanato de zirconato 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 tensión mecánica, o alternativamente es la deformación mecánica producida por unidad de campo eléctrico aplicado. En general, el titanato de zirconato de plomo blando tiene una constante piezoeléctrica más alta, pero mayores pérdidas en el material debido a la fricción interna . En el titanato de zirconato 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 estudiadas comúnmente es PbZr 0,52 Ti 0,48 O 3 . La mayor respuesta piezoeléctrica y la eficiencia de polarización cerca de x = 0,52 se deben al mayor número de estados de dominio permitidos en el MPB. En este límite, los 6 estados de dominio posibles de la fase tetragonal ⟨100⟩ y los 8 estados de dominio posibles de la fase romboédrica ⟨111⟩ son igualmente favorables energéticamente, lo que permite un máximo de 14 estados de dominio posibles. [11]
Al igual que el tantalato de plomo y escandio y el titanato de bario y estroncio , estructuralmente similares , el titanato de zirconato de plomo se puede utilizar para la fabricación de sensores de imágenes infrarrojas de matriz fija sin refrigeración para cámaras termográficas . Se utilizan tanto películas delgadas (generalmente obtenidas por deposición química de vapor ) como estructuras a granel. La fórmula del material utilizado generalmente se acerca a Pb 1,1 (Zr 0,3 Ti 0,7 )O 3 (llamado titanato de zirconato de plomo 30/70). Sus propiedades se pueden modificar dopándolo con lantano , lo que da como resultado titanato de plomo y zirconio dopado con lantano ( titanato de plomo y zirconio , también llamado titanato de plomo y lantano ), con fórmula Pb 0,83 La 0,17 (Zr 0,3 Ti 0,7 ) 0,9575 O 3 (titanato de zirconato de plomo 17/30/70). [12] [13]