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Dispositivos Electrónicos Eternos Emma Lizzet Cedillo Saucedo

(mtp09elc@sheffield.ac.uk) Department of Material Science and Engineering

The University of Sheffield

1. Introducción.

El mercado electrónico es un área en evidente crecimiento, las aplicaciones que actualmente son desarrolladas incluyen un desempeño impecable de los dispositivos que componen el sistema. Existen diferentes dispositivos en el sector electrónico, se puede mencionar a los transistores, capacitores entre otros. El mayor productor de capacitores multicapa es China, hasta el 2011 su producción era de 24, 870 toneladas de unidades.

El mercado de

electrocerámicos ha ido en crecimiento paralelo al electrónico, debido principalmente a que estos componentes presentan las propiedades electrónicas fundamentales para el desarrollo de los dispositivos actuales.

Las condiciones de uso de los

dispositivos antes mencionados en algunos casos son de calor, presión y desgaste extremos, lo cual hace necesario una estabilidad en las propiedades además de un constante rendimiento. Debido a lo anterior, el estudio de diferentes composiciones químicas y la síntesis de los compuestos en diferentes rutas ha sido necesario. Algunos compuestos con arreglo cristalino en perovskita presentan un comportamiento ferroeléctrico además de otras características que permite utilizar este grupo en un amplio rango de aplicaciones, cada una exigiendo diferentes propiedades.

El presente proyecto de investigación incluye el estudio del titanato de bario (TB) como material termoeléctrico, es decir, un material que mediante energía térmica genera energía eléctrica y viceversa. El BT (BaTiO3) es un óxido inorgánico con estructura cristalina perovskita en su forma cubica alrededor de su temperatura de Curie (Tc= 120 C). El arreglo cristalino del TB tiene estructura cubica centrada en el cuerpo, donde en cada celda unitaria el bario ocupa las esquinas de el cubo, el titanio en el centro y el oxígeno en el centro de las caras. Ver figura 1

Mediante el cambio de temperatura el Ti se desplaza a lo largo de la celda, lo que provoca distintos arreglos cristalinos de este material y sus propiedades ferroeléctricas.

El TB se destaca entre los

compuestos ferroeléctricos debido a su alta constante dieléctrica, recientes estudios han concluido que podría

Figura 1 Arreglo cristalino del TB cúbico centrado en el cuerpo

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mostrar comportamiento semiconductor si se sinteriza en atmosferas reductoras.

Se tiene como objetivo en el

presente estudio definir la huella digital que permitiría al TB ser utilizado como material termoeléctrico, para la definición de dicha huella digital es crucial determinar la microestructura y relacionar los fenómenos que manifiesta con la composición química y los diferentes procesos de fabricación. Además de la conversión de energía térmica en eléctrica, un compuesto de uso termoeléctrico presenta buena conducción eléctrica y térmica además de un coeficiente de Seebeck alto. Las características antes mencionadas comienzan a ser evaluadas en óxidos debido a su estabilidad térmica y química, entre los óxidos semiconductores actualmente utilizados destaca NaxCoO2.1

Para aplicaciones termoeléctricas se han usado semiconductores de tipo p (conducción eléctrica debido portadores de carga libre, en este caso positiva). Recientes estudios mencionan que es necesario desarrollar materiales termoeléctricos de tipo n (conducción eléctrica debido portadores de carga libre, en este caso negativa). Ciertos compuestos óxidos tienen la característica de ser semiconductores de tipo n estables a altas temperaturas. El oxido NaxCoO2 es un ejemplo de lo anterior. Sin embargo parámetros como la conductividad térmica y eléctrica así como la generación de poder termoeléctrico deben optimizarse para las aplicaciones en altas temperaturas.2

El entendimiento de los

fenómenos que dominan los comportamientos de cristalización así como los de crecimiento de grano y la

identificación de estos fenómenos concluirán en determinar un patrón de comportamiento entre la composición, arreglo cristalino y las propiedades de cada ejemplar fabricado. Lo anterior será evaluado mediante técnicas como XRD, microscopia electrónica, mediciones de capacitancia y permitividad, curva de histéresis, además de cálculos de conducción de calor. 2. Experimentación

Recientes estudios muestran

que el exceso de TiO2 en la fabricación de TB mejora las propiedades electrónicas3 si se controla el tamaño de grano y condiciones en la frontera de grano, otros estudios reportan comportamiento semiconductor del TB después de haber sido fabricado en H2, sin embargo no se ha definido el tipo de microestructura que conlleva a este tipo de comportamiento. El presente trabajo incluirá estudios sobre muestras fabricadas mediante el método del estado solido con diferentes porcentajes de concentración entre los polvos precursores BaCO3 y TiO2, en donde todas tendrán exceso de TiO2, dichas muestras serán fabricadas en diferentes atmosferas para identificar el arreglo microestructural característico de cada una e identificar los fenómenos de crecimiento de grano. Las muestras fueron fabricadas con 0.1 y 0.4% mol de exceso (máximo permitido en el arreglo de TB) de TiO2 en la composición química. Anteriores estudios han reportado crecimiento de grano anormal en muestras de TB con exceso de TiO2 , condición que genera propiedades electrónicas diferentes a las deseadas. El fabricar las muestras en atmosferas reductoras podría detener el crecimiento anormal, además de propiciar un

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comportamiento semiconductor debido a migración del oxígeno.

3. Resultados Partiendo de la estrecha

relación entre la composición, estructura y propiedades de un material se analizaron 6 muestras generadas tanto en aire como en H2 en una relación 1-1, 1-1.1, 1-1.4, BaCO3 y TiO2 , respectivamente.

La diferencia en el arreglo microestructural es evidente, las muestras preparadas con exceso de titanio presentan fenómenos como crecimiento de grano anormal (CGA) que puede ser controlado tratando las muestras en H2. También el porcentaje de exceso de titanio influye en el tamaño de grano y la forma de éste. Ver figura 2

Figura 2. Microestructuras de las muestras de TB en aire e hidrogeno (a y b respectivamente) y de as muestras con 0.4% mol de exceso de TiO2 en ambas atmosferas. Las curva de histéresis típica de los materiales ferroeléctricos además de la capacitancia de las muestras 1, 3, 4 y 6 se enlistan en la figura 3 a) y b) respectivamente. La capacitancia evidencia el efecto del tamaño de grano para la conductividad eléctrica.

a)

b) Figura 3 a) Curva de histéresis del TB en comparación con las muestras fabricadas con 0.1 y 0.4 de exceso de TiO2. b) Capacitancia de las muestras fabricadas con 0.1 y 0.4 de exceso de TiO2. 4. Conclusiones El exceso de titanio en la matriz del material genera un cambio en el tipo y crecimiento de grano, además se presenta segunda fase conocida como BT2 bajo ciertas circunstancias de fabricación de muestra y localizada entre la unión de 3 granos. Ver figura 4

Figura 4. Localización de la fase BT2 entre el ángulo de 3 granos.

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La presencia de BT2 podría influir en el comportamiento electrónico y térmico del dispositivo final. Las pruebas electrónicas realizadas hasta el momento señalan un decremento en la capacitancia que podría estar relacionada al engrosamiento del limite de grano y/o a la segunda fase reportada. 5. Trabajo Futuro Para una completa descripción del TB con los fines antes mencionados el poder termoeléctrico, figura de merito, mediciones y cálculo de las propiedades térmicas deben realizarse. Actualmente valores como difusividad y capacidad térmica entre otros son evaluados. Después de la evaluación completa de la relación entre estequiometria, estructura y propiedades térmicas además de las eléctricas se procederá a calcular y comparar los valores termoeléctricos entre el material sugerido y los actualmente utilizados.

Se definirá el fenómeno de compensación electrónica que permite tanto la conducción eléctrica y térmica, además de definir valores útiles para calcular el desempeño térmico y eléctrico del material y los de su tipo. 6. Referencias 1. He, Y. (2004) Heat capacity, thermal conductivity and thermal expansión of Barium titanate-based ceramics, Thermochimica acta, 419, 135—141.  2.     Yamamoto,   M.;   Ohta,   H.   y  Koumoto,   K.   (2007)   Thermoeletric  phase   diagram   in   CaTiO3-­‐SrTiO3-­‐BaTiO3   system,   Applied   physics  letters,  90,  072101.  

3. Yoon, B. et al (2009), Grain boudary mobility and grain growth behavior in polycrystals with faceted wet and dry boundaries, Acta Materialia, 57, 2128—2135