síntesis y procesado de materiales analysis de rayosx ... · síntesis y procesado de materiales...

Síntesis y procesado de materialesferroeléctricos policristalinosLos materiales ferroeléctricos poseen un grannúmero de aplicaciones. Los compuestos quetienen estas propiedades en muchos casos nose encuentran en la naturaleza, por lo que esnecesario sintetizarlos y conformarlos comoun material.

La capacidad de polarizar el materialmediante la aplicación de un campo eléctricoexterno, abre la posibilidad de preparaciónde estos materiales como agregadospolicristalinos, con aplicaciones importantesen dispositivos electrónicos/microelectrónicos.

CERÁMICAS FERROELÉCTRICAS

Las cerámicas son agregados policristalinos delcompuesto que las forma. La preparación decerámicas se subdivide en: (I) síntesis del polvoprecursor cerámico, (II) conformación ysinterización (tratamiento térmico del la piezaconformada como disco, anillo, cubo, etc., para quelos granos del polvo precursor se unan entre si ycrezcan y (III) corte de la misma y electrodadopara la preparación del dispositivo con unaspropiedades (ferroeléctricas) específicas.

La figura muestra un esquema de la preparación deuna cerámica en volumen con composición(Bi3TiNbO9)x(SrBi2Nb2O9)1-x, así como laobservación microscópica (“Scanning ElectronMicroscopy, SEM” y “Transmission ElectronMicroscopy, TEM”) del material obtenido.

LÁMINAS DELGADAS

Una lámina delgada delgada es una película de material muyfina (<1 micra) soportada sobre un substrato. La preparaciónde láminas delgadas ferroeléctricas en nuestro laboratorio serealiza mediante la técnica de depósito químico de disoluciones(“Chemical Solution Deposition, CSD”) en una sala blanca(“clean room”). Las disoluciones precursoras se preparanmediante el sol-gel y se depositan mediante centrifugación(“spin-coating”) sobre el substrato, obteniéndose una capalíquida adherida a éste. Este depósito es tratado atemperatura moderada para evaporar el disolvente yposteriormente tratado a temperaturas más altas en un hornoespecial con rampas de calentamiento elevadas (> 30ºC min.-1).En las imágenes mostramos la preparación de láminas delgadasen nuestro laboratorio, así como fotografías de las técnicasutilizadas e imágenes a escala microscópica de las láminas.

d / dt 0

Spìn - offEvaporación y

Secado

Spin - up

B)A)

Sinterizdo natural. 1100

- 1150 ºC2-3 h

Prensado en

caliente . 1050 ºC.30 min

Sinterizasdo natural. 1000 - 1150ºC 1-2h

Prensado en

caliente . 700-1050 ºC 1 h

Cerámicas de precursores cristalinos Cerámicas de precursores amorfos

Si

(Bi3TiNbO9)x(SrBi2Nb2O9)1-x

PROCESADO CERÁMICO

Mezclas estequiométricas de los óxidos y carbonatos correspondientes

ACTIVACIÓN MECANOQUÍMICA en molino vibratorio durante 336 hours

Sucessiv os tratamioentos térmicos desde 500 hasta

1050 oC para producir la REACCIÓN DE ESTADO SÓLDO

Polvo precursor amor fo

Homogenización en mortero de ágata durante 3 minutos

No

Conformado mediante prensado uniaxial 300 Kg·cm-2

Prensado Isostatico a 2000 Kg ·cm-2

Analysis de Rayos X: Fase de auriv illius correcta?

Cristalización del polvo precursor

Sinterizdo natural. 1100

- 1150 ºC2-3 h

Prensado en

caliente . 1050 ºC.30 min

Sinterizasdo natural. 1000 - 1150ºC 1-2h

Prensado en

caliente . 700-1050 ºC 1 h

Cerámicas de precursores cristalinos Cerámicas de precursores amorfos

Si

(Bi3TiNbO9)x(SrBi2Nb2O9)1-x

PROCESADO CERÁMICO

Mezclas estequiométricas de los óxidos y carbonatos correspondientes

ACTIVACIÓN MECANOQUÍMICA en molino vibratorio durante 336 hours

Sucessiv os tratamioentos térmicos desde 500 hasta

1050 oC para producir la REACCIÓN DE ESTADO SÓLDO

Polvo precursor amor fo

Homogenización en mortero de ágata durante 3 minutos

No

Conformado mediante prensado uniaxial 300 Kg·cm-2

Prensado Isostatico a 2000 Kg ·cm-2

Analysis de Rayos X: Fase de auriv illius correcta?

Cristalización del polvo precursor

a) b)

FIGURE 2.- Micrographies of BTN composition: a) A-Ceramic. b) C-Ceramic

Microestructura de cerámicas con estructura cristalina de Aurivillius preparadas con polvos precursores

amorfos A) y cristalinos B).

Diagrama de flujo de la preparación de cerámicas en volumen empleando el método de reacción en estado sólido tradicional y la activación mecanoquímica.

Micrografía TEM de un grano cerámicos de PZT mostrando la estructura de dominios ferroeléctricos a 90º.

Esquema de la preparación de láminas delgadas por centrifugación (“spin-coating”) de disoluciones. A) Equipo de “spin-coating” en sala blanca y B) Horno de procesado térmico rápido

A)B)

G)

A) Cerámicas en volumen

C)

Láminas delgadas

Los materiales ferroeléctricos se preparan en forma de cerámica en volumen y lámina delgada. En la figura de arriba presentamos una foto de materiales ferroeléctricos preparados de las dos formas, así como un dispositivo piroeléctrico.

A) Cerámicas ferroelectricas de formas diferentes para aplicaciones funcionales(zumbadores, transformadores condensadores de alta C, etc).

B) Láminas delgadas ferroeléctricas sobre substratos de Silicio electrodados conPt.

C) Lámina delgada ferroeléctrica integrada en un dispositivo para detectorespiroeléctricos multielemento.

E)

F)

E) Sección transversal de una lámina con estructura cristalina de perovskita.

F) Micrografía de la superficie de una lámina

5 micron

Fase perovskita ferroeléctrica

Fase secundaria no ferroeléctrica

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

-20

-10

0

10

20

Pr (

C /

cm2)

Voltage (V)

Ciclo de histéresis ferroeléctrico

G) Superfice de una lámina mostrandouna fase ferroeléctric y otra noferroeléctrica. Ciclo de histéresisferroeléctrico medido en la lámina

C) D)

Micrografías de C) AFM y D) TEM de una lámina de SrBi2Ta2O9 con estructura cristalina de Aurivillius

Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid

B)