Tema 8. Materiales en la industria electrónica

Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005
Tema 8. Materiales en la industria electrónica
8.1. Teoría de bandas. Conductividad eléctrica. Metales. 8.2. Semiconductores intrínsecos y
extrínsecos. Dispositivos. 8.3. Superconductores, termistores y varistores. 8.4. Materiales
dieléctricos, ferroeléctricos y piezoeléctricos. 8.5. Conductores iónicos. Pilas primarias y baterías.
8.7. Materiales electrocrómicos. Cristales líquidos.
8.1. Teoría de bandas. Conductividad eléctrica. Metales. Se utiliza para justificar las
propiedades eléctricas de los materiales (metales, semiconductores y aislantes). Parte de la teoría de
O.M. A partir de n orbitales atómicos se obtienen n orbitales moleculares. Como se comprueba en
la figura 8.1 se obtiene un continuo en energía, N orbitales pueden estar ocupados por 2N
electrones, formando las bandas a partir de los orbitales atómicos. Aunque la mejor forma de
explicar los diagramas de energía y las propiedades que se derivan son los diagramas de densidad
de estado.
Figura 8.1. Representación de la estructura de bandas en
sólidos y la separación interatómica de equilibrio
En los diagramas de densidad de
estado se representan la mayor
concentración electrónica en una
región dada de energías teóricamente.
Pero incluso a 0 K existe una
vibración residual que obliga a una
distribución asimétrica de los
electrones aunque siempre tiendan a
situarse a la menor energía posible.
Ahora se puede introducir el concepto
de banda de valencia y banda de
conducción.
La banda de valencia es la banda más alta en energía que contiene electrones, y la banda de
conducción es aquella de menor energía que está vacía.
La conductividad eléctrica es la corriente de electrones que se produce en un metal cuando se
aplica un campo eléctrico. En un conductor metálico es un hecho experimental que la conductividad
disminuye con el aumento de la temperatura. Este comportamiento se puede explicar ya que al
aumentar T, aumenta la vibración de los átomos (aumentan las imperfecciones cristalinas) y hay
más interacciones entre los electrones portadores de carga y la red cristalina. Mayor resistividad y
menor conductividad. Figura 8.2 (a,b). No hay gap entre la BC y la BV. Para un metal, ρ = ρo + αT
donde ρo y α son constantes características de cada metal. Las impurezas también aumentan la
resistividad de forma lineal, cuando se trata de composiciones muy diluidas. El grado de aumento
(pendiente de la recta) depende de la impureza en cuestión.
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En un aislante la banda de valencia está totalmente llena y la banda de conducción vacía
Figura 8.2(c) con una diferencia de energía muy grande por lo que una diferencia de potencial no
implica conducción. Aunque existe un gap, un aislante se puede convertir en semiconductor si se le
aplica una determinada presión. Bajo presión disminuye la distancia interatómica, de tal forma que
se disminuye el gap de energía entre las diferentes bandas. Los materiales cerámicos y poliméricos
son generalmente aislantes.
La situación intermedia entre un conductor y un aislante es un semiconductor. En estos
materiales hay un gap muy pequeño que térmicamente o por otros factores se pueden interpenetrar
resultando en conductividad aunque con resistividades mayores que la de los metales. La forma de
las bandas en el caso de un semiconductor se da en la Figura 8.2 (d). La diferencia entre aislante
Figura 8.2(c) y un semiconductor Figura 8.2(d) es la diferencia del gap de energía. Si el gap es
mayor de 2 eV se dice que es un aislante y si el gap es menor se trata de un semiconductor.
Figura 8.2. Diagrama de bandas para metales (a,b), aislantes (c) y semiconductores (d)
A T = 0 K no conducen la corriente eléctrica, sin embargo a la temperatura ambiente la
excitación térmica resulta en una conductividad intermedia. Resistividad típica de metales ∼ 10-7 10-8 Ωm, semiconductores ∼ 10-4 - 104 Ωm, y aislantes ∼ 1010 - 1016 Ωm. Aunque los valores
precisos dependen de la población de los electrones en la banda de conducción. Si aumenta la
temperatura aumenta la población en la banda de conducción y por tanto la conductividad debido a
la activación térmica. Esta es una diferencia de comportamiento importante respecto de los metales
ya que en éstos, cuando la temperatura aumenta la conductividad disminuye.
La energía correspondiente al estado de más alta energía ocupado a 0 k se denomina energía
de Fermi, EF. El grado con el que se llena un determinado nivel de energía viene dado por la
función de Fermi, f(E), que representa la probabilidad de ocupación de un nivel a una temperatura
determinada. El caso típico de los semiconductores, al elevar la temperatura se excitan los
electrones y pasan de la BV a la BC, aumentando el número de portadores de carga (función de T).
Una aplicación importante de los materiales conductores es la medida de la temperatura. Esto
se hace mediante un circuito conocido como termopar y consistente en dos hilos de metal (Figura
8.3). Un metal determinado (en este caso A) se pone en contacto con la temperatura que se quiere
medir (T1) y una referencia (T2), extremos caliente y frío.
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Figura 8.3. Esquema del
funcionamiento de un termopar
Como según la función de Fermi, se excitan más electrones en la
región caliente, aparece una fuerza que impulsa los electrones de
la zona caliente a la fría, por lo que el extremo caliente queda
cargado positivamente y el frío negativamente, con un voltaje VA,
entre los extremos. Es muy importante saber que VA depende
únicamente de la diferencia de temperaturas. Para medir este
voltaje se necesita un segundo hilo (metal B en la fig. 8.3), en el
que se coloca un voltímetro. Si el material es el mismo, aparece
un potencial y lo que mide el voltímetro (la diferencia de
potencial) será cero. Sin embargo, si se unen los extremos con un
hilo de otro metal, aparecerá un voltaje característico, VB. En
estas condiciones aparece un voltaje neto que se puede medir, y
que se conoce como potencial Seebeck, y el fenómeno completo
se denomina efecto Seebeck. De forma operativa, un extremo el
frío se mantiene a T cte (generalmente la ambiente) y conociendo
los metales al medir los potenciales (en unas tablas, o con una
simple ecuación) se determinan las temperaturas. Por ejemplo, se
pueden utilizar termopares Pt/Pt-Rd que es un hilo de Pt y otro de
87 % Pt y 13 % Rd, con una temperatura de operación máxima de
1480 oC.
8.2. Semiconductores intrínsecos y extrínsecos. Dispositivos. El silicio (Eg=1.107 eV) y
germanio (Eg=0.66) cristalino cristalizan en la estructura tipo diamante y son ejemplos típicos de
semiconductores. Deben ser muy puro ya que las impurezas aumentan la conductividad aunque de
forma irreproducible si no son adicionadas de forma controlada (dopaje). Este comportamiento de
semiconductividad intrínseca (figura 8.2 (d)) se debe a posibilidad de promoción de algunos
electrones a la banda de conducción formándose un Si+ (hueco en la banda de valencia) y ese
electrón se sitúa en la banda de conducción. Otros ejemplos son: GaAs (Eg=1.47) y InSb (Eg=0.17).
Si sustituimos (dopamos) algunos de los átomos de la red por otros de radio parecido y
configuración electrónica diferente (p. ej. P, As o B, Al) se consigue mejorar las propiedades
semiconductoras (una pequeña sustitución isomórfica). Hay que distinguir dos tipos:
semiconductores tipo p y n. Los semiconductores tipo n se obtienen cuando se sustituye parte del
Si por un elemento pentavalente que cede el quinto electrón a la banda de conducción (figura 8.4
(a)) apareciendo el nivel donador, hay un exceso de carga negativa, cerca de la banda de
conducción). Los semiconductores tipo p se obtienen cuando se sustituye parte del Si por un
elemento trivalente que provoca un hueco positivo a la banda de valencia (figura 8.4 (b)). Aparece
el nivel aceptor, ya que hay un defecto de carga cerca de la banda de valencia, dónde se pueden
alojar los electrones excitados (térmicamente o por cualquier otra forma de energía).
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Figura 8.4 (b). Diagrama de bandas de un
semiconductor extrínseco tipo p
Figura 8.4 (a). Diagrama de bandas de un
semiconductor extrínseco tipo n
La conductividad de estos semiconductores aumenta con la temperatura, la resistividad
disminuye. Sin embargo, el intervalo de temperaturas en el que se da la semiconducción extrínseca
es limitado. Puesto que el número de dopantes es muy limitado (y generalmente bajo), hay un límite
de temperatura en el que los electrones de un tipo n están todos excitados o de un tipo p en el que el
nivel aceptor está lleno. Esto origina lo que se conoce como intervalo de agotamiento o saturación.
A partir de esta temperatura, la conductividad cambia pero como un semiconductor intrínseco, sin
que afecte el dopaje realizado. Esto se ilustra en la figura 8.5, para un semiconductor tipo n, aunque
para otro tipo p es totalmente análogo dónde se pueden ver los tres regímenes en función de la
temperatura.
Se debe notar que la abscisa es 1/T, y que
temperaturas mayores es hacia la izquierda
cuando el semiconductor dopado se comporta
como un semiconductor intrínseco. Como el
comportamiento de los semiconductores tipo p y
n es muy similar cabe la pregunta de cómo
distinguirlos. Esto se puede hacer mediante el
efecto Hall. Se aplica un campo magnético
perpendicular al flujo de corriente que causa una
deflexión lateral de los portadores de carga, y
consecuentemente se genera un voltaje a través
del conductor. Para portadores de carga
negativos (tipo n) el voltaje Hall, VH, es positivo
y viceversa. En general se da el coeficiente Hall,
RH, que es característico de cada semiconductor
y de su signo se conoce la naturaleza de los
portadores de carga.
Figura 8.5. Representación de Arrhenius de la σ
para un semiconductor extrínseco tipo n
Desde un punto de vista práctico las uniones tipo p-n son muy importantes y se denominan
diodos o rectificadores. Estas uniones p-n se fabrican introduciendo impureza tipo-p y tipo-n en un
cristal de Si o Ge, y no uniendo dos semiconductores. Aunque el dispositivo es eléctricamente
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neutro presenta cargas positivas en la parte-p, cargas negativas en la parte-n, y una zona central sin
cargas que actúa como barrera de potencial que impide que los portadores de carga pasen
libremente, figura 8.6(a).
Figura 8.6. (a) Esquema de una unión
tipo p-n (b) y (c) bajo c.a.
Hay que considerar que ocurre si se aplica un voltaje sobre
los extremos de este cristal. Sí se aplica un voltaje positivo
sobre la parte-n y negativo sobre la parte-p, resulta en un
aumento de la barrera de potencial y no pasa corriente por la
unión (polaridad inversa). Sin embargo, si se aplica un
voltaje negativo sobre la parte-n y positivo sobre la parte-p,
resulta en una disminución de la barrera de potencial, y los
portadores de carga pueden pasar libremente a través de la
unión (polaridad directa). Por tanto, estas uniones sirven
como rectificadores de corriente y pueden transformar
corriente alterna en corriente continua. Son válvulas de un
único sentido, figura 8.6(b). Diodos de cristal o
simplemente, rectificadores que sustituyeron a las válvulas
de vacío para la rectificación de la corriente y
revolucionaron el mundo de la electrónica ya que permitió
la miniaturización de los circuitos electrónicos. El
dispositivo real contiene una resistencia y un condensador
en serie para que no haya interrupciones en la corriente de
salida. Más aún, con varias en serie y un filtro final se puede
conseguir una corriente continua real.
Un transistor es un dispositivo que se puede utilizar para amplificar pequeños voltajes o
intensidades de corriente alterna o bien como unidades lógicas en sistemas digitales. La
amplificación tiene lugar a partir de la fuente de corriente continua (p. ej. una batería) a corriente
alterna de la frecuencia de la señal de entrada. Es un dispositivo del tipo p-n-p (o bien n-p-n).
Figura 8.7. Esquema de un transistor de unión
bipolar pnp
Las tres regiones del transistor se denominan
emisor, base y colector (figura 8.7). La unión
emisor-base tiene polarización directa (unión 1)
mientras que la unión base-colector tiene
polaridad inversa (unión 2). La polarización
directa emisor-base origina la inyección de
huecos del emisor en la base. Algunos se pierden
por recombinación con los electrones de la base
pero como la zona de base es muy delgada (∼
1µm), muchos huecos (entre el 95 y el 99 %)
pasan al colector.
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Estos huecos que pasan son atraídos por el extremo positivo. La cantidad de huecos es una
función exponencial del voltaje al que se somete al emisor. Por tanto, la corriente inducida en el
colector es una función exponencial de Ve. Este diseño se un amplificador porque un pequeño
aumento del voltaje continuo al que se somete el emisor, aumenta mucho la intensidad de corriente
del circuito (la que pasa por el colector). El transistor npn es totalmente similar salvo que los
portadores de carga son los electrones. El chip pentium® 4 tiene 55 millones de transistores.
Los materiales semiconductores se utilizan principalmente en circuitos integrados y
dispositivos electrónicos en general. Hay muchos tipos de semiconductores además de los y
descritos. Por ejemplo, arseniuro de galio GaAs, fosfuro de indio InP, antimoniuro de indio InSb,
oxido de cinc ZnO y sulfuro de cadmio CdS. Se utilizan otros elementos adecuados para que hagan
de dopantes y mejoren las propiedades. Otro grupo de semiconductores de mucho interés actual son
los semiconductores amorfos. Por ejemplo, el silicio amorfo (~ Si0.9H0.1) se utiliza en células solares
(generación de electricidad a partir de los fotones) debido a sus buenas propiedades fotovoltaicas y
a que se pueden procesar como capas delgadas con facilidad. El selenio amorfo ha jugado un papel
central en la xerografía, como revestimiento fotoconductor que permite la formación de la imagen
cargada. La estequiometría del compuesto semiconductor amorfo depende del sistema de
reproducción. En algunos casos es una capa delgada de Se amorfo (∼ 50 µm de espesor) sobre un
substrato metálico de aluminio, en otros casos es un vidrio calcogenuro de (AsX3/2)n (X=Se, Te; n ∼
70) con alto contenido en selenio que presenta fotoconductividad y se puede procesar fácilmente en
capas grandes. Estos compuestos son interruptores fotoconductores muy eficaces, en la oscuridad
son aislantes y expuestos a la luz son “buenos” conductores, lo que permite que la película de
vidrio/amorfa mantenga la carga eléctrica estática superficial, que cambia cuando se ilumina pero
fluye solo de forma perpendicular a la superficie. El semiconductor amorfo está depositado sobre un
tambor que gira sincrónicamente con el examinador de la imagen. Las zonas expuestas a la luz
tienen una carga eléctrica baja mientras que las oscuras (las que no han sido expuestas) la tienen
elevada. El revelado de esta imagen eléctrica se consigue con tóner (matizador, polímero orgánico
con un pigmento negro de tamaño de partícula esférica pequeño ∼ 10 µm) que tienen carga
producida tribológicamente (por presión) y opuesta a la de la superficie del vidrio. Por tanto, se ha
traducido la “imagen electrostática” en el vidrio a una “imagen visible” en el toner que se transfiere
al papel cargado (para atraer el toner) y se fija por calentamiento a una temperatura superior a la
transición vítrea del polímero orgánico (generalmente por fusión, o por calor y presión). Hay otros
procesos como el limpiado del toner que quede en el fotoreceptor (semiconductor amorfo), y se
borra la “imagen electrostática” iluminando uniformemente el fotoreceptor para dar un potencial
superficial bajo (∼ 104 Vcm-1), estando el sistema dispuesto para la carga del fotoreceptor con un
campo ∼ 105 Vcm-1 y se sigue las operaciones. Es una forma barata de reproducción que se ha
modificado convenientemente para poder realizar fotocopias a color. Fotocopia proviene de copiar
con luz, y el término anglosajón Xerografía viene de “Xero” que en griego es seco y “grafos”
escribir.
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Finalmente, podemos seguir la evolución de las propiedades conductoras en el grupo Iva, o
12, de la tabla periódica de elementos. Pb y α-Sn son metales y por tanto Eg (la energía del gap) es
0 (eV). Ge y Si son semiconductores con valores de Eg de 0.7 y 1.1 eV, respectivamente. C en
forma de diamante es un aislante ya que Eg es 5.4 eV. Es importante destacar que Eg varía
dramáticamente con el nivel de impurezas o de dopantes. Por ejemplo, para el Si cristalino dopado
con P (tipo n) Eg disminuye a 0.044 eV; y dopado con Al (tipo p) disminuye a 0.057 eV. Según en
el rango en que varíe el gap de energía se pueden utilizar para diferentes aplicaciones. GaInAsP se
utiliza frecuentemente en comunicaciones por fibra óptica. Antimoniuro de indio (InSb, Eg = 0.18
V) se utiliza en detectores de radiación infrarroja lejana. Sulfuro de cadmio (CdS) y sulfuro de Cinc
(ZnS) son buenos detectores de luz visible y se utiliza en medidores de luz fotográfico. El
semiconductor amorfo, Te0.8Ge0.2, se utiliza como componentes de la memoria RAM de los
ordenadores por la transformación amorfa-cristalina inducida por un campo eléctrico que permite
almacenar la información.
8.3. Superconductores, termistores y varistores. Un superconductor es un compuesto que
presenta dos propiedades fundamentales por debajo de una temperatura determinada: 1) no presenta
resistencia al paso de la corriente eléctrica (por tanto no sigue la ley de Ohm) lo que indica que no
presenta el efecto Joule (no se calienta, ni disipa energía al pasar la corriente eléctrica); 2) Expulsan
todo el flujo magnético de su interior y así son forzados a salir de un campo magnético. Esta
propiedad se conoce como efecto Meissner. Si un material superconductor, en el estado normal, se
enfría en presencia de un campo magnético, a una temperatura crítica, TC, todas el flujo magnético
es expulsado y se convierte en un diamagnético perfecto. Es a esta temperatura crítica cuanto la
resistividad eléctrica del material se vuelve cero.
En la figura 8.8 se representa la variación de la
conductividad con la temperatura para un
superconductor y un metal no superconductor.
Superconductores pueden ser tanto metales como
cerámicas. En la práctica se utiliza una aleacción de
Nb-Ge que da las mejores prestaciones Tc = 23 K
(temperatura crítica por debajo de la cual el
compuesto es superconductor).
Figura 8.8. ρ vs T para un superconductor y
un metal no superconductor
Si la fuerza de un campo magnético externo
aumenta, hay un campo crítico; HC, para el que se
destruye la superconductividad y el material vuelve al
estado normal. La magnitud de este campo depende
de la temperatura y cuando se acerca a TC, HC vale
cero. El comportamiento de HC con la temperatura se
da en la figura 8.9. El valor de HC que se da en la
figura suele corresponder a la extrapolación para T =
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Figura 8.9. Variación del campo crítico, HC,
con T para un superconductor
0 K. Si bien la T se acerca a Tc o H a Hc, la magnitud
importante, densidad de corriente crítica, Jc, se
aproxima a cero. Esta es la máxima corriente que
puede circular en el material superconductor, para
densidades de corriente mayores, el superconductor
vuelve al estado normal con lo que aparece la
resistividad y por tanto calentamiento por efecto
Joule. En algunos casos ha habido accidentes ya que
una densidad de corriente muy alta puede provocar un
calentamiento muy importante.
Como se verá en el tema siguiente, un campo
magnético aplicado externo H, provoca una
magnetización en el superconductor según la ecuación
: B = µo (H+M), dónde µo es la permitividad del
espacio libre y M la magnetización del material.
Como el superconductor es un diamagnético perfecto,
B = 0 y por tanto H = -M. Por lo tanto, el
Figura 8.10. Variación de magnetización, M, superconductor se puede entender que desarrolla una
con el campo magnético externo H
magnetización negativa igual al campo aplicado.
Hay dos tipos de comportamiento de materiales superconductores frente a un campo
magnético aplicado externo. Los superconductores tipo I son los que cuando H toma el valor de
Hc, la magnetización cae bruscamente a cero y se pasa del estado superconductor al normal. Esto se
muestra en la figura 8.9 y significa que las líneas de fuerza del campo magnético pueden penetrar el
material y desaparece la superconductividad. Hay otro conjunto de superconductores,
superconductores tipo II, que son los que presentan TC más altas y son los de aplicabilidad
comercial cuyo comportamiento se da en la figura 8.10. En estos materiales hay dos campos
críticos, para campos magnéticos superiores a HC1, la magnetización comienza a disminuir pero no
cae bruscamente. Hay un segundo valor del campo, HC2, para el que desaparece la magnetización y
por tanto la superconductividad. Entre estos dos campos, el material se encuentra en un estado
intermedio en el que líneas de campo magnético cuantizadas penetran una profundidad
determinada, y característica del material y del campo.
En la actualidad hay materiales cerámicos con Tc superior a 100 K basados en óxidos de
cobre (YBa2Cu3O7 Tc=93 K, también óxidos mixtos con Bi , Tl y Hg) pero las propiedades
mecánicas no son muy satisfactorias de momento. La aleación comercial superconductora más
importante es Nb3Ge, TC = 22.5 K, y es del tipo II (HC2 es 36.4 T a 4.2 K). Los óxidos mixto de
cobre superconductores son del tipo II con campos HC2 muy altos, del orden de 100 T para el
YBa2Cu3O7 aunque es anisotrópico. La utilidad real más importante de estos materiales es para
crear campos magnéticos muy fuertes.
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Las aplicaciones prácticas actuales de los superconductores se pueden clasificar en dos
grandes grupos. Primero, aquellas que se derivan de las propiedades macroscópicas, principalmente
basados en los intensos campos magnéticos que generan los imanes superconductores o
superimanes. Entre los usos actuales más importantes podemos destacar: a) diagnóstico en medicina
(por ejemplo en tomografías computerizadas de RMN); b) en laboratorios de investigación (en
aparatos tales como RMN, medidas de efecto Hall, y láseres de electrones libres, etc.); y c) en física
de altas energías (ya que en los grandes aceleradores de partículas se utilizan superimanes para
dirigir, focalizar y desviar los haces de partículas). Segundo, aquellas derivadas de las propiedades
microscópicas, y que principalmente se basan en los superconductores procesados en capas
ultrafinas 'thin film'. En este apartado podemos destacar: d) uniones superconductor-aislantesuperconductor (SIS, uniones Josephson) que basadas en un fenómeno cuántico permiten construir
los interruptores nanoscópicos más rápidos; e) SQUIDS 'Superconducting Quantum Interference
Devices' que son aparatos capaces de detectar los campos magnéticos más débiles (se utilizan en
áreas tan dispares como diagnósticos de medicina o en investigación en Ciencia de los Materiales);
y f) transmisión de señales por microondas.
Otras aplicaciones, sin duda más espectaculares, pero que tendrán lugar a medio o largo plazo
son aquellas en las que se precisa una mayor temperatura crítica y un procesado tecnológico
diferente de los materiales actuales. Entre las aplicaciones a medio plazo podemos destacar: g)
almacenamiento de energía, en la que se puede usar una bobina superconductora y un convertidor
que carga o descarga la bobina de acuerdo a las necesidades en el tiempo; este sistema también
podría ser útil en la estabilización de la corriente; h) en tecnología de fusión, ya que se necesitan
campos magnéticos muy intensos para confinar el plasma. Entre las aplicaciones a largo plazo, y
solo si se eleva la temperatura en la que se da la superconductividad, podríamos destacar: i)
separación de minerales magnéticos; j) transporte de la corriente eléctrica sin pérdidas; k) trenes
levitantes (los japoneses tienen desarrollado un proyecto de tren levitante (sin fricción) que supera
los 500 km/h pero los costes de la superconductividad son pequeños para un proyecto de ese
tamaño); l) propulsión magnética; etc.
Un varistor es, esencialmente, una resistencia que no tiene un comportamiento lineal entre el
voltaje aplicado y la intensidad que deja pasar. En otras palabras no sigue la ley de Ohm.
Figura 8.11. V frente a JC, característica
de los varistores
En la figura 8.11 se muestra al forma típica de la curva
en una escala doble logarítmica. Aumentando un
determinado valor el voltaje, la densidad de corriente que
deja pasar el varistor aumenta rápidamente. El uso más
general de los varistores es para eliminar los picos de
sobretensión en un circuito electrónico protegiendo los
componentes más sensibles. Ejemplos de este uso se
muestra en la figura 8.12 Los compuestos más utilizados
como varistores son ZnO y Bi2O. En la figura 8.13 se da
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Figura 8.13. Estructura de un varistor de
ZnO
la estructura de un varistor de oxido de cinc que es el
más utilizado comercialmente. Varistores son producidos
por General Electrics, Matsushita, Siemens, Philips y
TDK electronics. Siemens produjo, en 1980, 163 tipos
diferentes de varistores. Las características principales
que los diferencian son: a) tiempo mínimo entre pulsos
de sobrevoltaje para que los elimine eficazmente. b)
rango de voltajes de trabajo, c) rango de intensidades de
trabajo y d) temperatura de trabajo.
Figura 8.12. Ejemplos de aplicaciones de varistores para eliminar (reducir) picos de sobrevoltaje
Un termistor es un material cuya resistencia eléctrica cambia drásticamente con la
temperatura. Existen de dos tipos. Aquellos que exhiben un cambio positivo del coeficiente de
resistividad con la temperatura PTCR y los del cambio negativo NTC. PTCR viene del inglés
"positive temperature coefficient of resistivity" y NTC "negative temperature coefficient". Nos
vamos a concentrar en los termistores PTCR, cuyo material ejemplo por excelencia es el titanato de
bario TiBaO3, aunque se le pueden añadir algunos aditivos en pequeñas concentraciones para
mejorar las propiedades. En la figura 8.14. se representa la variación de la resistencia con la
temperatura para un termistor típico. Puede haber hasta un cambio de siete órdenes de magnitud en
la variación de la resistencia. Las aplicaciones se derivan de esta propiedad.
Figura 8.14. ρ vs T para
termistor PTCR
Los termistores PTCR se utilizaron inicialmente para detectar
variaciones de temperaturas o la fusión de un material. Es una forma
de traducir un cambio de temperatura en un cambio de corriente
eléctrica (a través del cambio en la resistividad). La primera aplicación
a gran escala fue en 1968 en los televisores donde actúan como
interruptores para limitar las corrientes de sobretensión. Todavía se
utilizan en millones de televisores en color. Los materiales PTCR se
utilizan en la fabricación de aparatos de calentamiento a temperatura
constante. Por ejemplo, en los starter de los coches (calentamiento del
combustible inicial), evaporadores de combustible, congeladores y
aparatos de aire acondicionado. En los aparatos domésticos se utilizan
termistores en las planchas, secadores de pelo, frigoríficos, etc. El
diseño práctico del termistor es totalmente análogo al del varistor.
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8.4. Materiales dieléctricos, ferroeléctricos y piezoeléctricos. Los materiales dieléctricos (o
aislantes) tienen la propiedad especial de poder almacenar carga electrostática [la conductividad
típica de los aislantes varía entre 10-10 y 10-16 (Ωm)-1]. La aplicación típica de estos materiales
dieléctricos es la fabricación de condensadores de placas paralelas (figura 8.15). A escala atómica
esta distribución de cargas se debe a la alineación de los dipolos eléctricos. En estas condiciones
(sometidos a una diferencia de potencial, o campo eléctrico) aparece una densidad de carga, D
(unidades C/m2). D es directamente proporcional al campo eléctrico aplicado, E (V/m) según la
ecuación: D = ε E.
Figura 8.15. Condensador de placas ⏐⏐
Dónde ε es la permitividad eléctrica del dieléctrico
(C/Vm). En el vacío, εο toma un valor de 8.85 10-12
C/Vm. La ec. anterior se puede re-escribir como: D = εο
κ E, dónde κ es una constante adimensional denominada
permitividad relativa o constante dieléctrica. Existe un
gradiente de voltaje límite, que se denomina resistencia
dieléctrica, en el cual aparece un apreciable flujo de
corriente y obviamente el dieléctrico falla.
Los fenómenos de polarización son complejos y se deben a varios mecanismos. La
polarización por orientación implica un cambio en las moléculas que poseen un momento dipolar
permanente con una rotación de los momentos en la dirección del campo aplicado. La polarización
iónica solo ocurre en materiales que son iónicos y se puede explicar como un desplazamiento de los
cationes y aniones (en direcciones opuestas) como respuesta al campo eléctrico aplicado.
La polarización electrónica puede inducirse en todos los
átomos, y el campo eléctrico aplicado desplaza a la nube
electrónica del material en un sentido respecto del núcleo
cargado positivamente. Este tipo de polarización se
encuentra presente en todos los dieléctricos. La variación
Figura 8.16. Espectro de frecuencias de la de la permitividad con la frecuencia se da en la figura
permitividad mostrando los diferentes tipos
8.16. con los diferentes mecanismos de relajación.
de mecanismo de relajación
En muchas situaciones prácticas, el voltaje aplicado proviene de una corriente alterna (cambia
continuamente con el tiempo). Los dipolos intentan re-orientarse con el campo, pero este proceso
requiere un tiempo finito (aunque muy pequeño). Para cada mecanismo/tipo de polarización existe
un tiempo mínimo para que se de el realineamiento. La frecuencia de relajación es el inverso de
este tiempo mínimo. La permitividad eléctrica ε no cambia apreciablemente con la frecuencia hasta
que se llega a impedir un mecanismo de relajación dónde cae bruscamente la permitividad. Hay
tantos caídas bruscas como mecanismos de relajación. Por ello, cuando se dan los valores de la
permitividad eléctrica hay que dar la frecuencia a la que han sido determinadas. La absorción de
energía eléctrica por el material dieléctrico sometido a una corriente alterna se denomina pérdida
dieléctrica. Esta pérdida puede ser importante para frecuencias próximas a las de relajación de cada
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tipo de dipolo. A la frecuencia que se utiliza el condensador se requiere que las pérdidas sean lo
menores posibles. En la Tabla 8.1 se dan valores de constante dieléctrica, rigidez dieléctrica y factor
de pérdida (adimensional, tan δ = ε′′/ε′).
Tabla 8.1. Propiedades físicas de varios materiales dieléctricos
Material
Titanatos Ba, Sr, Ca
TiO2
Al2O3
Porcelana
PTFE
PE
Nilon 66
PVC-flexible
κ (a 60 Hz)
15-12000
14-110
8
6-8
2.0
2.3
5
4.02
Rigidez dieléctrica (kV/mm)
2 -12
10
1.6-16
20
20
17
-
Factor pérdida (a 1 MHz)
0.0001-0.02
0.0002-0.005
0.0002-0.01
0.003-0.02
0.0002
0.0002-0.0005
0.03-0.04
0.1
Los materiales que se emplean como dieléctricos en condensadores deben tener constante
dieléctrica y rigidez dieléctrica máxima pero un factor de pérdida mínimo. Las cerámicas que se
emplean suelen ser BaTiO3 y TiO2. Generalmente se emplea el titanato de bario que se puede
fabricar con constantes dieléctricas muy altas. Los valores para los polímeros son bastante menores
y se emplean en recubrimientos (como aislantes) de hilos, motores, generadores, interruptores pero
en contadas ocasiones se utilizan en condensadores.
Los ferroeléctricos son aquellos materiales dieléctricos que presentan polarización
espontánea (en ausencia de campo eléctrico). Son análogos a los materiales ferromagnéticos (que se
verán el tema próximo) que presentan un momento magnético permanente. Como se crean esta
polarización o dipolo permanente depende del material y lo vamos a explicar en el caso más común
del titanato de bario, BaTiO3, con estructura perovskita dada en la figura 8.17(a). El momento
dipolar resulta de los desplazamientos relativos de los iones Ti4+ y O2- de sus posiciones simétricas
de tal forma que los centros de gravedad de las cargas negativas y positivas no coinciden. Estos
materiales cristalizan en grupos espaciales que no tienen centro de simetría (inversión). Los cristales
pueden pertenecer a 32 clases dependiendo de la simetría de la red y de ellas, solo 20 clases son
adecuadas para mostrar estos efectos por su baja simetría.
Figura 8.17(a). Celda unidad y proyección de la
estructura del BaTiO3 mostrando el dipolo
permanente
La polarización espontánea depende de la
temperatura ya que los dipolos eléctricos cambian
con la expansión o contracción de la red. Cuando
se calienta BaTiO3 por encima de la Tc, 120 oC,
la estructura cambia a una cúbica y ya no muestra
el comportamiento ferroeléctrico. La polarización
espontánea aparece como consecuencia de
interacciones entre dipolos. Otros materiales que
presentan este comportamiento son el niobato de
potasio KNbO3 y los titanatos y circonatos de
plomo, PbTiO3 y PbZrO3.
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Ciencia de Materiales, 4º curso, 2004/2005
Los materiales ferroeléctricos tienen constantes dieléctricas muy altas (ver tabla 8.1) lo que
implica que los condensadores que se fabriquen con estos materiales pueden ser mucho más
pequeños para las mismas prestaciones. Los materiales ferroeléctricos pueden tener una
polarización nula bajo un campo eléctrico aplicado nulo debido a la orientación aleatoria de los
dominios ferroeléctricos a escala microscópica. Esto se representa en la figura 8.17 donde se
describe el gráfico del ciclo de histéresis ferroeléctrico como resultado de un campo eléctrico
alterno con los dominios detallados. Inicialmente, la polarización es nula por la distribución
aleatoria de los dominios, pero al aplicar un campo eléctrico, los dominios responden orientándose
ya que crecen los mas favorecidos a expensas de los otros. Aparece una fuerte polarización
espontánea, en contraste con los compuestos paraeléctricos en los que sólo es posible una pequeña
polarización debido a los dipolos inducidos por el campo aplicado y en cuanto cesa el campo
desaparece la polarización.
Para los materiales ferroeléctricos, la respuesta a un campo eléctrico alterno es compleja y se
da en la figura 8.17(b) conocido como ciclo de histéresis ferroeléctrico. La polarización de
saturación, PS, es la que se obtiene cuando todos los dominios están alineados debido a un campo
eléctrico lo suficientemente grande.
Figura 8.17(b). Ciclo de histéresis ferroeléctrico típico
Cuando el campo cesa, la polarización
inducida decrece un poco pero no se hace
cero. Esto se conoce como polarización
remanente, PR. Hace falta aplicar un
campo eléctrico opuesto para hacer cero la
polarización, este campo eléctrico, EC, se
conoce como campo coercitivo. Los
materiales ferromagnéticos muestran un
ciclo de histéresis completamente análogo
al de los ferroeléctricos y lo estudiaremos
en el tema 9.
mostrando los dominios en función de E aplicado
Calentando un cristal ferroeléctrico, tiende a desorber iones en la superficie lo que cambia la
polarización, y por tanto una carga en la superficie se puede desarrollar y detectar. Por tanto, el
cristal parece que se carga con el calentamiento, a este efecto se le conoce como efecto
piroeléctrico. Fue observado por primera vez en el silicato mineral turmalina en el siglo XVII. El
estudio y caracterización de este efecto, llevó a Curie a descubrir la piezoelectricidad en 1880. De
las 20 clases de cristales piezoeléctricos, 10 tienen un eje polar único que permite la polarización
espontánea, y éstos son los cristales piroeléctricos.
Un pequeño cambio de temperatura puede generar un campo eléctrico importante en un
monocristal piroeléctrico. El coeficiente piroeléctrico, p, se define como el cambio de densidad de
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flujo en el cristal debido al cambio de temperatura [las unidades son C/cm2.K]. Por ejemplo, un
cristal piroeléctrico típico con p=10-8 Ccm-2K-1, y una permitividad relativa de 50, genera un campo
de 2000 Vcm-1 por un cambio de temperatura de 1 K. Los equipos que se hacen son tan sensibles
que pueden detectar cambios de una milésima de grado. Generalmente se utilizan para detección
infrarroja (calor). Por ejemplo, se utiliza en alarmas contra ladrones que detectan el calor emitido
localmente por los cuerpos humanos, visión infrarroja, por satélites y equipos militares.
Los materiales piezoeléctricos son los que general una respuesta eléctrica al aplicarles
presión mecánica. La palabra deriva etimológicamente del griego “piezo” que significa presión.
Estos materiales son transductores ya que convierten la energía eléctrica en mecánica y viceversa.
Un transductor es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. El efecto
piezoeléctrico directo es aquel en el que la aplicación de presión genera un cambio de voltaje en el
material. El efecto piezoeléctrico inverso es aquel en el que la aplicación de un voltaje genera un
cambio en el espesor del material, el voltaje produce una presión mecánica. Generalmente se
emplean monocristales o materiales policristalinos ordenados para asegurar la orientación correcta
de las polarizaciones. Es importante conocer el parámetro, k, que es el coeficiente de acoplamiento
piezoeléctrico que mide la fracción de energía mecánica convertida en energía eléctrica, y es
característico de cada material piezoeléctrico.
El primer compuesto piezoeléctrico (de uso muy general) fue el SiO2 monocristalino tras la
Segunda Guerra Mundial. Sin embargo fue sustituido en los años 50-60 ya que para este material
k=0.1 mientras que para el BaTiO3 pulverulento pero prensado bajo un campo eléctrico, tiene k ∼
0.5. A partir de mediados de los años 60, otro material se está utilizando más que el la disolución
sólida Pb(Ti,Zr)O3 o PZT [PbTi0.5Zr0.5O3] debido a la mayor temperatura crítica. El titanato de bario
tiene TC = 120 oC mientras que para el PZT, TC = 200 oC. Por encima de esta temperatura no
pueden funcionar. También se utilizan niobato de plomo, TC = 570 oC, LiTaO3, KH2PO4, LiNbO3, e
incluso polímeros como el floruro de polivilideno, PVDF, (CH2-CF2)n.
Figura 8.18. Transductor ultrasónico
basado en un material piezoeléctrico
Un ejemplo de diseño de transductor ultrasónico se da en
la figura 8.18. En este dispositivo, las señales eléctricas
(oscilaciones de voltaje) en el rango de los megaherzios
producen ondas ultrasónicas por efecto piezoeléctrico
directo. De forma análoga, por efecto piezoeléctrico
inverso se pueden detectar ondas ultrasónicas que son
convertidas a corriente alterna (y luego a sonido si se
necesita escucharlas). Este es el principio de los sonares de
los barcos y submarinos que detectan el fondo por la
reflexión de las ondas acústicas. Este efecto no se debe
confundir con el radar donde se emiten ondas
electromagnéticas. La reflexión de estas ondas son las que
se detectan.
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8.5. Conductores iónicos. Pilas primarias y baterías. En muchos sólidos, los iones pueden
migrar a través de los defectos puntuales termodinámicos (p. ej., vacantes) que aparecen en los
sólidos a temperaturas mayores de 0 K por la entropía. Estos defectos puntuales fueron explicados
en el primer tema. Los materiales conocidos como conductores superiónicos o conductores
iónicos rápidos son aquellos que contienen un tipo de iones (cationes o aniones) con una alta
concentración de portadores de carga y una pequeña barrera de activación. Por esto los
superconductores iónicos son mucho mejores conductores que los sólidos iónicos normales pero
este término es confuso ya que al ser iones los portadores de carga, las conductividades son mucho
más bajas que la de los metales aunque se hable de superconductividad pero es iónica. No se debe
confundir bajo ningún concepto con la superconductividad electrónica. En un mismo material se
puede dar conductividad electrónica e iónica y se denominan conductores mixtos. Cuando la
migración de los iones es el único mecanismo para la conductividad, los materiales se conocen
como electrolitos sólidos.
Ambos tipos de conductores, los mixtos y los electrolitos sólidos, tienen aplicaciones
industriales. Los electrolitos sólidos se utilizan en baterías para separar el cátodo del ánodo.
También se emplean en celdas de combustible que son dispositivos para convertir la energía
química en eléctrica. También se utilizan en sensores para la determinación de gases como el O2 o
el H2.
Una característica importante de los superconductores iónicos es una alta conductividad
iónica, σi, [en la que los portadores de carga son cationes o aniones]. Aunque conductividades
iónicas pueden darse entre 1 - 10-8 (Ωcm)-1, en los superconductores iónicos, σi > 10-3 (Ωcm)-1. Los
valores de σi dependen de las aplicaciones y para sensores no se requieren valores tan altos. La
conductividad iónica se da en vidrios, polímeros, sólidos cristalinos y cerámicas. Algunos ejemplos
de superconductores iónicos son: Ioduro de plata, AgI, que por encima de 146 oC, sufre una
transformación de fase y la forma de alta temperatura, α-AgI, tiene σi = 1 (Ωcm)-1 comparable con
la de los electrolitos líquidos; por sustitución de parte de la plata con rubidio se puede estabilizar
esta fase a temperatura ambiente, así RbAg4I5 tiene a temperatura ambiente (25 oC) σi = 0.25
(Ωcm)-1. Otro conductor iónico, en este caso de iones sodio, es la β-alúmina. La fórmula general en
forma sódica es Na2O.nAl2O3 5 ≤ n ≤ 11, y el nombre deriva de la creencia original de que era una
nueva fase polimórfica del óxido de aluminio. Aunque esta fase presenta la conductividad iónica
más alta para la especie móvil Na+, no es lo suficientemente alta para aplicaciones en baterías y no
puede utilizarse a temperatura ambiente. La conductividad iónica aumenta con la temperatura,
debido a la agitación “activación” térmica de las especies portadoras de carga y en este caso a 300
o
C ya si se pueden utilizar en baterías. Otro conjunto de conductores de sodio importantes son los
NASICON “Na Super Ionic CONductor” que pertenecen a la estequiometría general : Na1+xZr2P3xSixO12, con 0 ≤ x ≤ 3. Todos estos compuestos tienen canales vacíos (caminos de conducción) por
donde pueden saltar (moverse) los portadores de carga y originar de esta forma la conductividad
iónica con valores de la energías de activación bajas, del orden de 0.2-1 eV.
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También hay superconductores aniónicos, aunque los valores para la movilidad/conductividad
aniónica suelen ser más bajos y las energía de activación (las barreras a la movilidad) más altas. Por
ejemplo, PbF2 a T > 500 oC muestra este tipo de conductividad con σi ∼5 (Ωcm)-1. Otros
conductores aniónicos, de O=, son las circonas estabilizadas, aunque a muy alta temperatura;
0.15CaO : 0.85ZrO2 tiene σi ∼ 5 10-2 (Ωcm)-1 a 1000 oC con Eac ∼ 130 kJmol-1.
Las baterías secundarias o recargables son aquellas en las que una reacción espontánea genera
una ddp pero que cuando se le aplica una ddp contraria a la pila se da la reacción inversa y se
recarga el sistema. Todas las pilas (primarias no recargables) o secundarias (recargables) constan de
un cátodo un ánodo y un electrolito. Las pilas de sodio-azufre (Na/S) son las que se utilizan en los
prototipos de los coches eléctricos, y la β-alúmina es el electrolito que separa el cátodo del ánodo.
Funciona a 300 oC y a esa temperatura el sodio (ánodo) y el azufre (cátodo) están fundidos. La
reacción en descarga (cuando genera electricidad) es 2Na + xS → Na2Sx y este sulfuro de sodio es
soluble en el cátodo. El voltaje generado por la batería cargada es de 2.08 V a 300 oC. Hay baterías
de estado sólido recargables de litio (voltaje alto para baterías y bajo peso) que se están empezando
a comercializar con ánodo de litio metal (o mezclado con carbón), electrolito conductor de iones
litios (p. ej. polímero sólido impregnado de iones litios o una perovskita de titanio lantano y litio) y
cátodo que suele ser un óxido mixto de litio y cobalto o de litio y níquel.
En celdas/pilas de combustible se utiliza un electrolito conductor de H+ a temperatura cercana
a la ambiente o bien un electrolito conductor de O2- (de oxígeno) que opera a 500-1000 oC
dependiendo del electrolito utilizado. Estos sistemas constan de un cátodo, un ánodo y un
electrolito. La reacción global es 2H2 + O2 → H2O, donde el electrolito pasa una de las especies a
través de la celda. Se puede “quemar” hidrógeno o cualquier otro combustible como metano, etc.
para generar electricidad directamente con un rendimiento cercano al 100 %. Aunque hay algunas
plantas ya en funcionamiento presentan problemas por la alta temperatura de trabajo y se continua
investigando en este sistema de conversión de energía.
En sensores de hidrógeno se suele emplear el conductor protónico, Zr(HPO4)2.H2O, mientras
que en sensores de oxígeno se suele emplear YSZ, u otro tipo de circona estabilizada (Ca o Mg).
8.7. Materiales electrocrómicos. Cristales líquidos. Aplicaciones relacionadas con las
anteriores tienen lugar en las pantallas electrocrómicas o ventanas inteligentes. Son compuestos
que cambian de color al insertarles iones en la red. Por ejemplo, una capa delgada de WO3 es
incolora, pero si mediante una celda electroquímica (es decir aplicando una ddp) se insertan iones
M+ (H+, Li+, etc.) se pueden volver coloreados, MxWO3 (azul intenso). Este es el principio de
algunos sistemas de escritura y borrado de pantallas y ventanas, mediante inserción/desintercalación
de especies iónicas aplicando campos eléctricos (los que no están basados en cristales líquidos).
También se pueden utilizar en ventanas y sirven para dejar/no dejar pasar la luz y también el calor
puesto que al ser más coloreados absorben más la radiación electromagnética (se prevé que haya un
gran mercado de estas ventanas inteligentes en países fríos y de alto poder adquisitivo). Aunque se
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pensaba que estos sistemas podrían competir con las pantallas de cristal líquido LCD “Liquid
Crystal Display” por su mejor contraste, mayor ángulo de visión y por su efecto de memoria (no
cambia si no se aplica un E), sin embargo no han penetrado en mercado porque el tiempo de
respuesta es varios órdenes de magnitud mayores que los CL y además se consume más energía.
Los cristales líquidos fueron descubiertos en 1889 por el botánico austríaco Friedrich
Reinitzer. Mientras estudiaba un éster del colesterol, observó que fundía a 145.5 oC para dar un
líquido que dispersaba bastante la luz y que se transformaba “volvía a fundir” a 178.5 oC para dar
un líquido transparente con las propiedades comunes de los líquidos. La existencia de este nuevo
estado (intervalo de temperatura de 33 oC) abrió el nuevo campo científico de los cristales líquidos.
Estas fases son ahora muy populares por su comercialización y aplicaciones en para mostrar
información en pantallas de bajo consumo, LCD que inicialmente eran pantallas monocromáticas
pero ahora muestran color. Estas sustancias no son líquidas, sólidas o gaseosas sino que pertenecen
a un estado intermedio de la materia que ocurre entre el líquido isotrópico y el estado sólido
organizado. Suelen ser moléculas discretas con formas alargadas (pseudo-cilíndricas) o anchas y
planas (plaquetas). Este comportamiento fue detectado en el benzoato de colesterilo (figura 8.19).
Ahora se ha convertido en un campo de investigación y desarrollo en el que se trabaja mucho.
Los compuesto agrupados dentro del término cristales líquidos se pueden considerar como
sólidos desordenados o como líquidos ordenados. Según el método que se utilice para destruir el
orden, los cristales líquidos se clasifican en termotrópicos, cuando se desordenan por el calor o
liotrópicos, cuando el orden se interrumpe por la acción de disolventes como el agua. Un material
que tiene propiedades de cristal líquido se conoce como mesógeno y se dice que presenta
mesomorfismo. La temperatura a la que el material pasa del estado sólido a la mesofase se conoce
como temperatura de fusión, mientras que la temperatura a la que la mesofase cambia a un fluido
isotrópico se conoce como temperatura de clarificado y es a la que el fluido opaco se transforma en
transparente. Las mesofases de cristales líquidos termotrópicos se dividen a su vez en dos clases,
calamíticas cuando tienen forma cilíndrica alargada mientras que las que tienen forma de plaquetas
o de disco se conocen como discóticas. La fase nemática tiene la estructura más simple de todas
las mesofases, es muy fluida y es la más desordenada. Las moléculas tienen un eje principal y todas
están ordenadas en la misma dirección pero sin correlación posicional. En cambio, la fase
esméctica es más ordenada que la nemática y se caracteriza por correlaciones posicionales entre las
moléculas, además de en la dirección del eje principal, se forman láminas con cierto orden. Hay
otros tipos de mesofases, pero no las vamos a estudiar. Algunos tipos de mesosfases se dan en la
figura 8.20 con el orden en las unidades que componen el CL.
Las aplicaciones prácticas se deben a sus singulares propiedades ópticas. Según en la forma
que estén pueden interaccionar (absorción/dispersión) o no (transparentes) con la luz y cambian con
la temperatura y con la presencia de campos eléctricos ya que provoca una reordenación estructural.
De esta propiedad se hace uso en las “pantallas” de los relojes y otros dispositivos digitales. El
potencial necesario para esta reordenación es muy pequeño por lo que el consumo energético es
muy bajo.
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Un dispositivo real, diferente a las
pantallas de ordenadores portátiles o de
las calculadoras, son las ventanas
inteligentes o dinámicas. Según estén
sometidos o no a un campo eléctrico son
transparentes u opacos. Se construyen a
partir de una película de polímero
transparente en el que se dispersan
Figura 8.19. CL de ésteres de colesterilo
microgotas del cristal líquido nemático,
envuelto en dos capas de vidrio (o
poliester) y con dos capas conductoras
finales (p. ej. de ITO, óxido mixto de
indio y estaño). En pocas palabras, si se
aplica un campo eléctrico (ddp) entre los
dos bordes de las ventanas, las moléculas
de CL se orientan (fase esméctica), no
dispersan la luz y son transparentes (el
índice de refracción del polímero y el
ordinario del CL deben ser próximos. Sin
embargo, en ausencia de una ddp, las
moléculas
están
parcialmente
Figura 8.20. Tipos de mesofases de CL: (a) nemática, (b) desordenadas (nemáticas) y absorben y
colestérica, (c) esmética-A, (d) esmética-C
dispersan la luz en todas direcciones por
lo que la ventana se vuelve opaca (figura
8.21).
Pantallas planas de cristal líquido. Estos
dispositivos son complejos. Uno de los
electrodos está hecho de “thin film
transistors (TFTs)” depositados en vidrio
con tecnología basada en el Si. Cada píxel
está conectado al otro electrodos que es el
conductor
transparente
ITO.
Las
moléculas orgánicas de CL pueden ser
Figura 8.21. Vidrios constituidos por CL
ciano-fenilos con forma calamítica.
La fase CL, entre los electrodos, se ordena con un potencial eléctrico vertical (p. ej. 3V) que alinea
la fase nemática y la luz ya no puede pasar (pantalla oscura). Los colores vienen de moléculas
coloreadas o filtros.
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