Emma Lizzet Cedillo Saucedo - Dispositivos electrónicos eternos

Dispositivos Electrónicos Eternos
Emma Lizzet Cedillo Saucedo
([email protected])
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
Figura 1 Arreglo cristalino del TB cúbico
centrado en el cuerpo
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
1 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
2 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
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 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.
Figura 4. Localización de la fase BT2 entre el
ángulo de 3 granos.
3 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.
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 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. 4