Materiales cerámicos ferro-eléctricos y sus aplicaciones.

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Materiales cerámicos ferro-eléctricos y sus aplicaciones.
1 FERROELECTRICIDAD
1.1 Es la reversibilidad de los dipolos eléctricos espontáneos en un cristal, mediante la aplicación de un campo eléctrico.Este fenómeno es además cooperativo, es decir, la polarización espontánea de una celdilla unidad interacciona con las adyacentes orientándolas en el mismo sentido.
2 MATERIALE S CERÁMICOS FERROELÉCTRICOS Y SUS APLICACIONES
2.1 a) Dieléctrico, b) Piezoeléctrico, c) Electroestrictivo, d) Piroeléctrico, e) PTCR:, f) Electroóptio, g) Fotoelectrolito:
2.2 CONDENSADORES CERÁMICOS
2.2.1 La forma en que estos materiales son utilizados es muy variada, atendiendo a las aplicaciones específicas. Las principales se pueden agrupar en: a) Película capacitativa, b) Condensadores discretos, c) Condensadores multicapa, y d) Condensadores de barrera de capa.
2.3 Película capacitativa
2.3.1 En condensadores de película gruesa, tanto los electrodos como el material dieléctrico poseen espesores comparables a los requeridos en materiales discretos. Las películas delgadas de titanatos cerámicos se preparan por evaporación o «esputtering» reactivo, utilizando precursores de tipo óxidos o metálicos.
2.4 Condensadores discretos
2.4.1 Las propiedades dieléctricas finales dependen en gran medida de la estructura del material (estequiometría, mezcla de fases...) y de la naturaleza de las materias primas (impurezas, restos de carbonatos.). Una tendencia importante en la tecnología cerámica actual es el empleo de métodos especiales de preparación de polvos basados en síntesis química. Tales polvos se prestan a la sinterización a menores temperaturas que las requeridas normalmente para la densificación de materiales elaborados por reacción en estado sólido, produciéndose materiales cerámicos con una estructura de granos muy uniforme.
2.5 Condesadores multícapa
2.5.1 Dado que en un condensador plano la capacidad es proporcional al área e inversamente proporcional al espesor, se pueden disponer de condensadores de alta capacidad en base a materiales de alta constante dieléctrica y pequeño espesor.Los procesos de fabricación de condensadores cerámicos multicapa requieren un alto grado de sofisticación que asegure alta tolerancia y bajos costes de producción. Las materias primas, en general BaTiOs, deben poseer unas características muy controladas.
2.6 Condensadores de barrera de capa
2.6.1 Existen dos configuraciones básicas en las que se conjugan las propiedades semiconductoras y aislantes de los materiales cerámicos ferroeléctricos, con el fin de conseguir condensadores de alta constante dieléctrica,Un condensador de barrera de capa (BL, barrier layer) (26) se describe como una estructura en la que una capa reducida semiconductora de titanato de bario está en contacto con una capa oxidada aislante del material cerámico. La última está recubierta de un contraelectrodo. La tendencia actual es la utilización de condensadores con estructura de capa de borde de grano (GBBL, grain boundary barrier layer), en los cuales el material aislante se sitúa rodeando los núcleos de los granos semiconductores
2.7 MATERIALES CERÁMICOS PIEZOELECTRICOS
2.7.1 Los materiales cerámicos piezoeléctricos con un alto grado de reproducibilidad sólo pueden alcanzarse mediante la utilización de nuevos métodos en el procesamiento de polvos cerámicos para su aplicación en una producción industrial (29). Es bien conocido que el procesamiento comienza con una estricta selección de materias primas. Los métodos seguidos abarcan desde la clásica mezcla mecánica de óxidos, hasta modernas técnicas de obtención de precursores vía química
2.8 MATERIALE S CERÁMICOS ELECTROESTRICTIVOS
2.8.1 La obtención de actuadores cerámicos estables y de grandes prestaciones, se mejora con la utilización de métodos químicos de obtención de partículas muy pequeñas y homogéneas. Las aplicaciones de estos materiales como actuadores piezoeléctricos y electrostrictivos se maximizan para soluciones sólidas entre compuestos de diferente estructura que poseen fronteras morfotrópicas,
2.9 MATERIALES CERÁMICOS PIROELECTRICOS
2.9.1 Los materiales cerámicos piroeléctricos tienen como característica fundamental la de experimentar una variación de la polarización espontánea con la temperatura (41). Esta propiedad ha dado lugar a un desarrollo muy importante de detectores de radiación infrarroja conocidos como detectores piroeléctricos. En un detector piroeléctrico, la radiación induce un cambio en la temperatura del detector resultando un cambio de la polarización equivalente al flujo de carga superficial. El detector piroeléctrico, es fundamentalmente, un dispositivo formado por un elemento sensible a la radiación (material piroeléctrico), junto a un circuito electrónico que amplifique la señal para poder realizar su medida y tratamiento.
2.10 TERMISTORES (PTCR)
2.10.1 Las siglas PTCR se refieren al coeficiente positivo de resistividad con la temperatura (Positive Temperature Coefficient of Electrical Resistivity), relacionado con la transición ferroeléctrica-paraeléctrica en titanato de bario semiconductor y en las soluciones sólidas que forma con el titanato de estroncio y titanato de plomo (fig. 8) (43). Las propiedades semiconductoras se obtienen por dopado del titanato de bario con cantidades adecuadas de donadores eléctricos (ejemplos: La^"^ en lugares de Ba^"^ o Sb^^, Nb^"^ en sustitución de Ti"^"^). De esta forma se generan electrones libres en la banda de conducción 3d del titanio: (BaltJL^l^) (TiíÍxTix'^)03, siendo las concentraciones típicas entre 0.1 y 0.5 moles %. El efecto PTCR no se manifiesta en monocristales de BaTi03 dopados con tierras raras (44). El fenómeno PTCR ha sido postulado en base a granos cristalinos dopados con iones donadores, los cuales presentan en el borde de grano una capa de mayor resistividad.
2.11 MATERIALES CERÁMICOS ELECTROOPTICOS
2.11.1 Los materiales cerámicos ferroeléctricos son fáciles de fabricar, con variedad de formas y tamaños, junto con un buen control dimensional, pero su transparencia óptica es tan baja que no son utilizables en aplicaciones ópticas. El desarrollo de métodos especiales de procesamiento conduce a matariales cerámicos transparentes, mediante la obtención de polvos de síntesis altamente reactivos (48) o por prensado en caliente. Los materiales cerámieos ferroeléctricos transparentes se diferencian de los clásicos materiales cerámicos ferroeléctricos opacos, por una pequeña concentración de poros submicrónicos y la ausencia de fase amorfa en los bordes de grano.
2.12 FOTOELECTROLISIS
2.12.1 Los materiales ferroeléctricos en estado semiconductor pueden ser utilizados para la fotoelectrólisis del agua (53). En el proceso y debido a la radiación ultravioleta solar, se generan pares electrón-hueco en elóxido semiconductor, con la energía suficiente para disociar el agua y obtener hidrógeno como combustible. Los óxidos ferroeléctricos semiconductores basados en BaTiOs dopado muestran una eficiencia del proceso mayor que los materiales fotoconductores (Si, Ge, GaAs). Los materiales fotoconductores se oxidan rápidamente a causa del electrólito, cesando la fotoelectricidad. Los materiales cerámicos semiconductores presentan una superficie más estable, siendo inertes a los electrólitos corrosivos. La eficiencia de la conversión de hidrógeno obtenido es del 20 %.
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