Perovskita

1. Introducción

Durante las últimas tres décadas se ha intensificado el estudio de materiales tipo perovskita debido a la variedad de sus propiedades físicas y en consecuencia sus potenciales aplicaciones tecnológicas. La investigación de sus características morfológicas, estructurales, mecánicas, eléctricas y fisicoquímicas, ha revelado la gran cantidad de posibilidades de optimización y mejoramiento de los procesos eléctricos, ópticos y termodinámicos en estos materiales cerámicos, a través de modificaciones estructurales inducidas mediante sustituciones composicionales parciales, deficiencias iónicas (vacancias) o introducción de defectos.

Dentro de estas investigaciones, se encuentran las que se enfocan en la búsqueda de materiales con alta constante dieléctrica (ε > 103), ya que estos pueden implementarse para construir capacitores que se aplican en la miniaturización de nuevos dispositivos Electrónicos. Actualmente, gran parte de las investigaciones ambientales están dirigidas hacia la búsqueda del incremento de la sensibilidad, selectividad y estabilidad de los materiales candidatos a ser usados en detectores de gases. En este sentido, uno de los puntos cruciales es la detección de gases inflamables nocivos para nuestra salud.

Uno de los materiales más promisorios para su uso en detectores de gas es el dióxido de estaño (SnO2), principalmente por su bajo costo, y excelente capacidad de detección de gases reductores. Este compuesto ha sido estudiado con la finalidad de obtener dispositivos tales como sensores de monóxido de carbono y sensores electroquímicos, siendo su selectividad, sensibilidad y estabilidad, factores que pueden ser mejorados por medio de la adición de agentes dopantes.

Este trabajo se orienta al estudio de las propiedades estructurales, morfológicas y eléctricas del nuevo material tipo perovskita (Ba,Sr)SnO3, derivado de los estanatos basados en alcalino térreos, con algunas modificaciones en el porcentaje del dopante (Sr) en el sitio A de la estructura característica de la perovskita simple ABX3 (BaSnO3). Este material es una variación del dióxido de estaño (SnO2), seleccionado debido a las características semiconductoras y aislantes de sus elementos precursores, y a la libertad relativa con la que el oxígeno fluye en la superficie de dicho material, lo que facilita su aplicación como sensor de gas.

Como parte de este estudio se sintetizaron los compuestos con estequiometría Ba1-xSrxSnO3 (0.01 x 1), a temperaturas que oscilaron entre los 900 ºC y 1400 ºC, obteniendo una familia de siete comprimidos en pastilla, con geometría cilíndrica. A las muestras así obtenidas, se les realizó caracterización morfológica (microscopia electrónica de barrido-SEM) composicional (espectroscopía de rayos X por dispersión de energía-EDX), estructural (difracción de rayos X-DRX), de transporte eléctrico (espectroscopía de impedancia-EI) y de polarización eléctrica.

Por la estructura cristalina que presentan los materiales fabricados fueron clasificados como perovskitas, lo cual se concluyó al obtener los patrones de difracción de rayos X propios de cada compuesto, patrones que posteriormente se validaron por medio del método Rietveld.

Al determinar el valor de la constante dieléctrica mediante medidas de polarización eléctrica para el SrSnO3 y el BaSnO3, se encontraron constantes dieléctricas (ε) aproximadas de 64,67 y 95.18 respectivamente.

La respuesta de transporte eléctrico fue obtenida mediante la técnica de EI. Este estudio incluyó en primer lugar el comportamiento de la impedancia en función de la frecuencia en un rango de 1 mHz a 100 KHz, para temperaturas de 90 K y 130 K en el SrSnO3 y en el BaSnO3, y de 294 K en todos los compuestos, y en segundo lugar, un circuito equivalente que modela dicho comportamiento para las diferentes temperaturas. Estos resultados, junto con las caracterizaciones estructural, morfológica y composicional dan información acerca de los mecanismos microscópicos que generan la conducción eléctrica en estos sistemas granulares.

Para obtener los espectros de impedancia en función de la frecuencia a bajas temperaturas se diseñó y construyó una celda criogénica adaptable al equipo de EI, la cual consta de dos electrodos planos de acero inoxidable, que para este tipo de mediciones generan dos placas paralelas que permiten ubicar entre ellas el material a medir. En este caso es un material dieléctrico, lo cual posibilitó la comparación de los resultados con los obtenidos teóricamente para un capacitor de placas paralelas; se le adaptó un medidor de temperatura (Pt-100) y al permitir dicha celda hacer vacío posibilitó durante las mediciones impedir la existencia de corrientes parásitas debidas a las partículas del aire.

Finalmente, a partir de los resultados de la respuesta eléctrica y de las diferencias entre los valores de impedancia obtenidos, se concluyó que los estanatos de perovskita alcalino térrea presentan propiedades que modifican la respuesta eléctrica en función del contenido de oxígeno, de la proporción de Sr en los sitios del Ba y de la temperatura.

2. Fundamento teorico

2.1 Materiales de tipo perovskita

Las perovskitas son materiales cerámicos, formados por elementos metálicos y no metálicos constituidos principalmente por enlaces iónicos y/o covalentes; en general, son frágiles con baja ductilidad. Se comportan usualmente como buenos aislantes eléctricos y térmicos debido a la ausencia de electrones conductores a temperatura ambiente, poseen altas temperaturas de fusión y, así mismo, una estabilidad relativamente alta en la mayoría de los medios agresivos, por causa de la estabilidad de sus enlaces fuertes.

Al realizar ligeras modificaciones de la arquitectura ideal de la perovskita a menudo se producen nuevas propiedades. Esta familia de materiales cubre parte de aislantes (no conductores), semiconductores, conductores super-iónicos, conductores metálicos y superconductores de alta temperatura. No existe una correlación exacta entre las características estructurales y la respuesta eléctrica del material, ya que una determinada modificación estructural, no genera un grado particular de conductividad eléctrica. Cada vez que se altera la estructura ideal surge la posibilidad de nuevas propiedades.

Las Perovskitas y su fórmula general ABX3: La fórmula ABX3 incluye una importante familia de cerámicos que poseen la estructura de la perovskita original CaTiO3, a la que se debe su descubrimiento y nombre. En su forma ideal las perovskitas que se describen por la fórmula química ABX3 constituyen una celda cúbica con tres elementos químicos diferentes

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