piezoelectricos dif

8/19/2019 Piezoelectricos Dif

http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 1/57

4. Materiales para las tecnologías de las información y las comunicaciones (TICs)

4.2 Materiales

eléctricos

y magnéticos.

Acoplamientos

y/o actuación en las micro‐ y nanoescalas

Breve revisión de física de piroeléctricos y piezoeléctricos.

Ferroelectricidad y acoplo

electromecánico

Piroelectricidad y detección de radiación en el infrarrojo. Tecnologías cerámicas e integradas

Piezoelectricidad y dispositivos cerámicos de transducción electromecánica

Piezoeléctricos integrados. Sistemas microelectromecánicos piezoeléctricos

Ferroeléctricos/ferroelásticos y otros mecanismos para transducción electromecánica

Instituto de Ciencia Instituto de Ciencia

de Materiales de Madridde Materiales de Madrid

Técnicas específicas de caracterización

de materiales piro‐ y piezoeléctricos



Piezoeléctricos para detección y actuación

Breve

revisión

de

física

de

piezoeléctricos

Piezoelectricidad y electrostricción

linealmente proporcional

a una

tensión

mecánica

jk ijk i d D σ

i i oi P E D

ε

El efecto piezoeléctrico inverso es la deformación lineal de un sólido

bajo la aplicación de un campo eléctrico

El efecto electrostrictivo es la deformación no lineal de un sólido

bajo la aplicación de un campo eléctrico

⎟⎜

∂

=

j i uu1

⎟

⎠⎝ ∂∂

i j

ij

x x 2

y la deformación, de manera que se puede escribir, quizás de forma más fundamental



jk ijk i SeD = j i ijkl i ijk jk g



Breve revisión de piezoelectricidad

Un tensor de 3 orden tiene27 componentes independientes. Sin embargo, d es simétrico en j y k,

por lo

que

se

sólo

quedan

18,

lo

que

permite

el

uso

de

una

notación

matricial

reducida

Notación tensorial 11 22 33 23,32 31,13 12,21

Notación matricial 1 2 3 4 5 6

Es la

misma

notación

reducida

que

se

aplica

a los

campos

elásticos:

deformación

(S)

y tensión

( σ ),

y por tanto a los coeficientes elásticos (s)

pipi SeD = )6 ,5 ,4 ,3 ,21 p32 ,1i ( DgS i ip p =

σ31

12

σ5 σ6

σ42





Breve revisión de piezoelectricidad

Las

estructuras

cristalinas

se

pueden

clasificar

en

32

grupos

puntuales

de

acuerdo

con

su

simetría,

y estos grupos puntuales se pueden dividir a su vez en dos clases:aquellos que tiene centro de simetría, y los que carecen de él

Hay 21 grupos puntuales sin centro de simetría, 20 de los cuales son piezoeléctricos

La piezoelectricidad es una propiedad intrínsecamente ligada

a la estructura cristalográfica





No tan breve revisión de piezoelectricidad

Termodinámica de

materiales

piezoeléctricos

Incorporación del acoplo electromecánico a la teoría de Landau‐Devonshire

1111β SEP QSP sS2P 6P 4P 2F P σ

es a o e equ r o v ene e n o e nuevo por e m n mo e a energ a re:

QSP 2P P P E 0F 53P

∂

∂

γ 2P QP sS0F

∂

∂

σ

En ausencia de tensiones mecánicas:

∂

∂

22 P s

QSQP sS0

Deformación espontánea proporcional a P S2 en la fase ferroeléctrica



Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors

(Kluwer Academic Publishers, 1999)




En relación con el coe iciente iezoeléctrico

QP 2S

E h =

∂

∂

=

Existe una relación intrínseca entre la piezoelectricidad de un ferroeléctrico que se originaa partir de una fases prototipo centrosimétrica, y su electrostricción

En general, la energía libre de un piezoeléctrico bajo deformación

)3 ,2 ,1l ,k , j ,i ( DShDD1

SSc 1

F k i i k i Si kl i

Di kl =

κ

jk ijk j Sij i ShD

F E

∂

∂

=

κ S ShDE κ

D DhSc 6 ,...,2 ,1 , =

∂

k ijk kl Dijkl ij DhSc

F

∂

∂

=



ó




En piezoelectricidad,

las

condiciones

de

contorno

de inen las ecuaciones constitutivas ue se usan:

pip j ij i d E D σ

σ

pip j Sij i ShDE

κ

k pk qE pq p E d sS

σk pk qD pq p DhSc

σ

pip j ij i SeE D

ε

k pk qE

pq p E eSc

pip j ij i gDE σ

σ

k pk qD

pq p DgsS

σ

Por lo tanto se definen cuatro grupos de coeficientes piezoeléctricos que están relacionados a través de las permitividades y coeficientes elásticos

E SDd

∂

∂

=

∂

∂

=

σ SD

E e

∂

∂

=

∂

∂

=

σ

σ

∂

=

∂

∂

=

E DSg

SE Dh

∂

∂

=

∂

∂

=

σ

E dc e = gd σ

ε

Dgc h =



Permitividades y coeficientes elásticos que dependen de

las condiciones de contorno

B ( í) i ió d fí i d i lé i



Breve (esta sí) revisión de física de piroeléctricos

Piroelectricidad y materiales piroeléctricos: subgrupo de los piezoeléctricos polares

o o os os p roe c r cos son erroe c r cos

El e ecto iroeléctrico es la eneración de un des lazamiento eléctrico

Hay materiales en los que el campo coercitivo es superior al campo de ruptura del dieléctrico

proporcional a un

cambio

de

temperatura

E P D S

∂

∂

∂

∂

=

∂

∂

=

ε

γ

∂

El primer término representa la piroelectricidad espontánea

2

1

o⎥

⎤

⎢

⎡

P

oS ⎥

⎦⎣

β

2

1

1P ⎥

⎤

⎢

⎡

o l a r i z a c i ó n ,

oI I )T T ( 2T ⎥

⎦⎣

∂

β

γDerivada: coeficiente pir oeléctrico



En transiciones de primer orden,el coeficiente diverge en la transición

,

Pi lé t id d t i l i lé t i



Piroeléctridad y materiales piroeléctricos

El segundo

término

representa

una

piroelectricidad

inducida

De nuevo en un erroeléctrico con transición de se undo orden

2 ),1(

1o

o =

χ

1o )2( E

E ==

γ

ε

γ

o

o T T T

γ

Contribución asociada a la dependencia de la permitividad con la temperaturaRequiere la aplicación de un campo eléctrico

⇒ Base de los bolómetros dieléctricos

, que es proporcional

a la variación temporal de la temperatura tem eratura

T T DD J

∂

∂

=

∂

∂

∂

∂

=

∂

∂

= γ

corriente

t t T t ∂

γ



tiempo, t

Piroeléctricos para detección



Piroeléctricos para detección

Materiales ferroeléctricos para detectores de radiación infrarroja piroeléctricos

Longitudes de onda en el rango de la ventana atmósferica entre 8 y 14 μm, en el que esta el máximo de emisión de los cuerpos a temperatura ambiente

Un piroeléctrico es sensible a los cambios de temperatura, es necesario por tanto modular

W

V S

a n ens a e a ra ac n n rarro a a una recuenc a a a

V 0

C p i p RP C A RL

γηω

La responsividad en

corriente

de

un

detector

de

este

tipo

es: Cámaras de visión nocturna

Basadas en matrices de elementos

G ,

1GW T 2T

2i =

=

τ

τ

γηω

Rep. Prog. Phys. 64 1339 (2001)

p roe ctr cos



Donde η es fracción de radiación absorbida

τT es una constante de tiempo térmica que definenla capacidad calorífica H y la conductancia térmica G

Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja




En general,

es

más

sencillo

medir

voltajes.

La

responsividad en

voltaje

es:

)C C ( R ,11G

AR Z AE P E 2

E 22

T 2

P i V =

τ

τ

γηω

Aparece una

segunda

constante

de

tiempo,

en

este

caso

eléctrica,

que

definen

la

resistencia

y capacidad

del

elemento

Estas res uestas ermiten de inir una serie de i uras de merito de los materiales ara los detectores:

F A ,1Si γγγω

=>

Donde

c

es

el

calor

específicoc ct T

ε

γ

ω

ηγ

τ

ω

F ,1

y 1

Si V V =>>

εE T

ρ

t A

am n se e ne una ercera gura e mer o

ligada a la

detectividad

δ

ρ

δ

ρ

tanc w tanc T K 4NEP d B

=



Controlado por el ruido Johnson del condensador,y las pérdidas dieléctricas





Detectores de radiación infrarroja piroeléctricos interados:

láminas delgadas

ferroeléctricas sobre

Si

Propiedades de reducción de escala de los dispositivosDe la cerámica a la lámina delgada

E 1H C t ∝

τ

τ

Dos efectos:

aumento

de

la

capacidad

eléctrica,

y disminución

de

la

capacidad

calorífica

⇒ Inversión de las constantes de tiempo

T t ↓

τ

τ

ARγ

ℜ

Dos límites en la responsividad en voltaje:

H y V T E

ηγ

τ

≅

n vo umen

Aγ

τ

≅

Papel clave del calor específico c

CGV E T τ ≅

Papel clave de la conductividad térmica

⇒

Manipulación de la microestructura del material

⇒

⇒



J. Am. Ceram. Soc. 90 142 (2007)





Materiales para detectores de radiación infrarroja piroeléctricos en volumen

r sta es, mater a es cer m cos y po meros erroe ectr cos

Piroelectricidad espontánea

Piroelectricidad inducida

Piroelectricidad espontánea

Cristales de LiTaO3 , Sr 1‐ x Ba x Nb2O6 con estructura bronce‐tugsteno y TGS (sulfato de triglicina),cerámicas de Pb(Zr,Ti)O3 y PbTiO3 modificado,



1/2 1/2 3

El copolimero ferroeléctrico P(VDF ‐TrFE)





Materiales para detectores de radiación infrarroja piroeléctricos integrados







Basados en la piroelectricidad inducida

Rep. Prog. Phys. 64 1339 (2001)



Piezoeléctricos para detección y actuación



Pie oeléctricos para detección y actuación

Materiales piezoeléctricos para transducción electromecánica

Cerámicas piezoeléctricas: una tecnología madura y ubicua

Base de un abanico de tecnologías:

En microelectrónica sistemas de osicionamiento nanotecnolo ía sistemas SPMs tecnolo ías ó ticas

Actuadores

(sistemas adaptativos),

tecnologías

de

la

información

(cabeza

de

impresión

por

chorro

de

tinta),

artículos

de

consumo (enfoque automático de cámaras fotográficas)...

e ec ores

En la industria energética (medidores de flujo de gases y líquidos),

del

transporte

(acelerómetros)

...

Sistemas expertos

En transporte (control activo de vibraciones)…

Sistema e im genes

por ultrasonidos para

aplicaciones médicas

(Ultrason technologiesGenerac n y etecc n e u trason os

En Industria

médica

(ecografías,sondas no

intrusivas),

en

análisis de estructuras (ensayos no destructivos)…

Generación y detección de ondas acústicas submarinas

En la industria pesquera, aplicaciones militares (SONAR)



eco ecc n

e energ a

Cristales en aplicaciones específicas

Energy Harvesting

Materiales cerámicos piezoeléctricos para transducción electromecánica



p p

Un material de referencia: cerámicas de la solución sólida

con estructura

perovskita Pb(Zr,Ti)O3

500

P Pm3m

( o C ) 400 T C

p e

r a t u r a

300

F T P4mm

F R‐HT R3m

T e 200

100

F R‐LT R3c MPB

O

PbZrO3 PbTiO3

0.8PZ 0.6 0.4 0.2



Materiales cerámicos piezoeléctricos de Pb(Zr,Ti)O3



p ( ) 3

La piezoelectricidad

es

máxima

en

la

frontera

de

fases

morfotrópica

entre los polimorfos ferroeléctricos con estructuras tetragonal y romboédrica

Relacionados con

los coeficientes del cristal

μμ



Piezoelectric ceramics (Academic Press, 1971)

Materiales cerámicos piezoeléctricos de Pb(Zr,Ti)O3



3

Origen de la alta actividad piezoeléctrica¿Los

policristales muestran

piezoelectricidad?

La polarización de las piezocerámicas

Simetría efectiva 6mm Análo o cristales con estructura hexa onal olar

⎟

⎟

⎜

⎜

E E E 31

E 13

E 12

E 11 d 00000sss

⎟

⎟

⎟

⎟

⎟

⎜

⎜

⎜

⎜

⎜

E

33E 33

E 13

E 13

31131112

d 00000sss

sss

⎟

⎟

⎟

⎟

⎜

⎜

⎜

⎜

E 15

E 55

000s00000

00d 0s0000

⎟

⎟

⎟

⎟

⎜

⎜

⎜

⎜

σ

σ

ε

ε

1115

11150000d 000000d 0000

⎟

⎠⎝

σ

ε 33333131 00000d d d



Las ceramicas ferroeléctricas polarizadas

son los únicos policristales piezoeléctricos (y piroeléctricos)

Un apunte general sobre cerámicas piezoeléctricas



σ3

Efecto piezoeléctrico longitudinal

Efecto piezoeléctrico de cizalla

σ

D3=d 33σ3P

σ5

D1=d 15σ5P

σ

1

= σ

Efecto piezoeléctrico transversal



Origen de la alta actividad piezoeléctrica del Pb(Zr,Ti)O3 en el MPB



Presencia simultánea de dominios tetragonales de 90o , y romboédricos de 71 y 109o

que (por geometría) aumentan la polarización que se puede inducir en el policristal con un campo eléctrico

71o 109o

nc uyen o rans ormac n parc a e una ase en o ra

x=0.55 x=0.47 x=0.40

PbZr 1‐ x Ti x O3

También, se ha descrito

una reducción

del

tamaño

de los dominios asta a nanoesca a en e ,

que facilita su movilidad



J. Appl. Phys. 101 074107 (2007)

Origen de la alta actividad piezoeléctrica del Pb(Zr,Ti)O3 en el MPB



Contribución de la movilidad de las paredes de dominio ferroeléctricos‐ ferroelásticosa los coeficientes piezoeléctricos

Ilustración de la deformación bajo campo por movimiento

o

E



Materiales cerámicos

piezoeléctricos

de

Pb(Zr,Ti)O3



Ingeniería composicional de la movilidad de las paredes:

un concepto

clave

en

los

materiales

comerciales

Aumento de la movilidad por sustitución heterovalente de mayor valencia

⇒

‐1

Pb 2+ Pb 2+ O 2-

⇒

A comparar con 200 pC N ‐1 para PZT en el MPB

Pb 2+

Pb 2+

La3+ en sitio A o Nb5+ en sitio B

4+

O 2- O 2-

O 2-

Materiales para aplicaciones de alta sensibilidad,

V A Pb 2+

O 2-



La 3+ Pb 2+

Mecanismo mal entendido



Mecanismo responsable

de

la

disminución

de

la

movilidad

de

las

paredes



Anclaje de las paredes por la interacción dipolar entre la polarización ferroeléctricay los defectos dipolares

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

r . pr . pr

3 p. p

r 4

1E 212213

oDD p

rrrrrr

πε



J. Appl. Phys. 73 3454 (1993)


piezoeléctricos

de

Pb(Zr,Ti)O3



http://www.ferroperm‐piezo.com/



http://www.morganelectroceramics.com/products/piezoelectric/

Origen de

la

alta

actividad

piezoeléctrica

del

Pb(Zr,Ti)O3 en

el

MPB



Descubrimiento de una nueva fase monoclínica con grupo espacial Cm

en el

diagrama

de

fases

de

la

solución

sólida,

en re os po mor os rom o r co y e ragona

a r

[001] [111]

α

a estar

contenida

en

el

plano

(110),

y se sitúa entre las direcciones <001> y <111> de polarización en las fases romboédrica y tetragonal

[110]

a r

c m

80 0

P C

La fase monoclinica

se puede

entender

[001] [111]

40 0

F R

F T

MPB

a t u r e ( K )

como la condensación

de desplazamientosde corto alcance,

c t [110]

-a m β 20 0

t e m p e

F M Cm

polarización, presentes en los otros

dos polimorfos

Ph s. Rev. B 61 8687 2000

33 43 53 63

x (%Ti)



[110]

Origen de

la

alta

actividad

piezoeléctrica

del

Pb(Zr,Ti)O3 en

el

MPB



Alta actividad piezoeléctrica por un mecanismo de rotación de la polarización bajo campoO de inestabilidad transversal de la red cristalina

⇒ Muy alta permitividad transversal

Estudios estructurales con radiación sincrotrón de Pb(Zr,Ti)O3 romboédrico

en la frontera entre las fases monoclínica y tetragonal

a o campo ap ca o

Deformación en

direcciones

no

polares

⇒ Demostración experimental del mecanismo de rotación

Phys. Rev. Lett. 84 5423 (2000)

Máximo del coeficiente

d 15 del cristal

d 15=

ε

11Q44P 3

IEEE Trans. UFFC

56 1574 (2009)



Materiales piezoeléctricos

para

transducción

electromecánica



Cristales con piezoelectricidad y deformación bajo campo ultragrandes

Coeficientes longitudinales

efectivos

superiores

a 2000

pC N ‐1 en

la

dirección

<001>

de

cristales

de Pb(Zn1/3Nb2/3 )O3‐PbTiO3 y Pb(Mg1/3Nb2/3 )O3‐PbTiO3 con distorsión romboédrica

⇒ Rotación de la polarización observada experimentalmente

J. Appl.

Phys.

82 1804

(1997)

Phys. Rev. Lett. 86 3891 (2001)



Cristales piezoeléctricos

con

piezoelectricidad

ultra

‐grande



Diagrama de fases del sistema Pb(Mg1/3Nb2/3 )O3‐PbTiO3

Phys. Rev. B 74 024101 (2006); Mater. Sci. Eng. B 120 206 (2005)

573

473 P C )

a T>T B

373 a t u r a (

R

F T

T e m p e

F PmF MB

Cm

(ps)?F RMP

PMN 0.1PT 0.2PT 0.3PT 0.4PT → PT



Dos diferencias

básicas

con

el

diagrama

del

Pb(Zr,Ti O3 en

el

MPB

Estado relaxor de alta temperaturaDos fases monoclínicas Cerámicas con 600 pC N ‐1

Cristales piezoeléctricos

con

piezoelectricidad

ultra

‐grande



Tecnología clave

para

transducción

electromecánica

de

alta

sensibilidad

A.A. Bokov, Mater. Sci. Eng. B 120 206 (2005)

. . , . .



http://www.trstechnologies.com/Products/single_crystal.php


para

transducción

electromecánica



Materiales cerámicos texturados de Pb(Mg1/3Nb2/3 )O3‐PbTiO3

por TGG

(del

inglés

templated grain growth)

Anisotropía relacionada con una dirección cristalográficaPreparación de partículas con anisotropía de forma

Preparación de polvo cerámico nanométrico

Mezcla Appl. Phys. Lett. 78 2551 (2001); J. Am. Ceram. Soc. 88 312 (2005)

en un campo de tensiones anisótropo

Orientación de las plantillas en la matriz

Densificación

d 33efect. 1600 pC N ‐1

Tratamiento térmico final

rec m en o e as p an as

consumiendo la matriz



Material cerámico texturado


texturados piezoeléctricos

para

muy

alta

piezoelectricidad



Ejemplo en alúmina

Transformación de micropartículas (muy) anisométricas de óxidos

con

estructura

en

capas

derivados

de

las

perovskitas

2323h3º 9501:4( KCl NaCl

31544 COOBi 2BaTiO2BaCOOTi BaBi →

en perovskitas simples por reacciones topoquímicas

Estructura tipo Aurivillius

¿Y de Pb(Mg1/3Nb2/3 )O3‐PbTiO3 ?

J. Am. Ceram. Soc. 90 1323 (2007)




para

transducción

electromecánica



Materiales cerámicos piezoeléctricos sin plomo

Nuevas directivas euro eas WEEE RoHS en vi or desde 2006

Moratoria para las piezocerámicasWaste Electrical and Electronic Equipment Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment

‐ 1‐ x x 3

ortorrómbico‐tetragonal

por

modificación

composicional Composición Toyota (K,Na,Li)(Nb,Ta)O3

Cerámicas texturadas por TGG muestran coeficientes piezoeléctricos d 33 de 400 pC N ‐1



Nature 432 84 (2004)


piezoeléctricos

sin

plomo



Desplazamiento a temperatura

ambiente

de

una

transición

polimórfica

de

alta

temperatura

Mecanismo incorrecto

⇒ La fuerte dependencia de las propiedades con la temperatura limita la ventana potencial de operación

J. Am. Ceram. Soc. 92 1153 (2009); J. Electroceram. 19 111 (2007)

Una posible alternativa:

cerámicas texturadas

de (Bi 1/2Na1/2 )TiO3‐BaTiO3

J. Electroceram. 11 207 (2003)

con coe c en es

piezoeléctricos de 200 pC N ‐1

Transición a una fase antiferroeléctrica a 150oC




piezoeléctricos

sin

plomo



El objetivo

es

diseñar

un

material

en

un

MPB

del

tipo

R

‐T con

muy

alta

piezoelectricad

Diseño de nuevos materiales

t, factor de tolerancia de la perovskita. r, radios iónicos

OB

O A

r r 2

t ,1t 75.0

=

J. Am. Ceram. Soc. 92 1153 (2009)

n pr mer requ s o es un ca n en s o a amen e po ar za e, como e : y

Cationes con número atómico y radio iónico grandes



Modelo de materiales basados en el conocimiento

Diseño de

materiales

sin

plomo

con

alta

piezoelectricidad



El MPB parece indispensable

Diseño de soluciones sólidas con estructura erovskita

y extremos ferroeléctricos (o no) con distinta simetría; distinta orientación de la polarización espontánea

Preferible con Bi 3+ en sitio A

Un ejemplo: (0.94‐ x)(Bi 1/2Na1/2 )TiO3‐0.06BaTiO3‐ xK 0.5Na0.5NbO3 con x hasta 0.04

Estabilización de la fase antiferroeléctrica a temperatura ambiente, y elevada deformación bajo campo

asociada a la transición entre las fases antiferroeléctrica ferroeléctrica inducida por el campo

Mecanismo alternativo

para

transducción

electromecánica

previamente

descrito

en

(Pb,La)(Sn,Zr,Ti O

J. Appl. Phys. 66 6014 (1989)



Appl. Phys. Lett. 91 112906 (2007)

Diseño de

materiales

sin

plomo

con

alta

piezoelectricidad



En la

misma

solución

sólida;

(0.94

‐ x)(Bi 1/2Na1/2 )TiO3

‐0.06BaTiO3

‐ xK 0.5Na0.5NbO3 ,

hasta

x

=0.

18

Alternativa a los ferroeléctricos relaxores basados en Pb con alta electrostricción para actuación libre de histéresis

Segundo mecanismo

alternativo

para

actuación Adv. Mater. 21 4716 (2009)

j i ijkl jk E E MS =

El material de referencia es 0.9Pb(Mg1/3Nb2/3 )O3‐0.1PbTiO3



J. Appl. Phys. 51 1142 (1980)


para

transducción

electromecánica



Se requieren nuevos materiales piezoeléctricos de alta sensibilidad

para

transducción

electromecánica

a

alta

temperatura

Soluciones sólidas de tipo perovskita BiMO3‐PbTiO3 con MPB, y alta T de Curie para operación entre 200 y 400oC

Relación empírica entre T C del MPB y el factor de tolerancia de la perovskita R/M en la solución sólida

Cerámicas de 0.64BiScO3‐0.36PbTiO3 con d 33=700 pC N ‐1 Appl. Phys. Lett. 93 192913 (2008)

Cristales con piezoelectricidad ultragrande

T C =450oC

Appl. Phys. Lett.

83 3150 2003

(1‐ x)BiScO3‐ xPbTiO3

con x<0.5



Jpn. J. Appl. Phys. 40 5999 (2001)


piezoeléctricos

para

operación

a alta

temperatura



Síntesis y procesado de cerámicas de perovskitas con bajo factor de tolerancia:

tecnología llave

para

el

desarrollo

de

materiales

cerámicos

Mecanosíntesis como alternativa a la síntesis por altas presiones

Síntesis de polvo nanocristalino de 0.92Pb(Zn1/3

Nb2/3

)O3

‐0.08PbTiO3

y (1‐ x)BiScO3

‐ xPbTiO3 por activación mecanoquímica en molinos planetarios de alta energía

x=0.20

x=0.40

Pe Pe Pe

e

Pe 140 h

100 h

x=0.40

x= .

x=0.50

x=0.55 I ( u . a . )

70 h

50 h I ( u . a . )

x=0.60

x=0.64Bi

2 O

3 Bi

2 O

3

30 h

18 h

20 30 40 50 60

º 2θ

10 20 30 40 50 60

1 h

0 h

θ



Chem Mater. 19 4982 (2007)

2θ


piezoeléctricos

para

operación

a alta

temperatura



Óxidos con estructura tipo perovskita laminar Aurivillius

para transducción

electromecánica

por

encima

de

500oC

Materiales muy anisótropos, con la polarización espontánea en el plano ab⇒ Texturación necesaria

y fácil en comparación con las perovskitas debido

Sr Bi 4Ti 4O15

a su hábito de crecimiento muy anisotrópico

Temperatura de Curie de 530oC Coeficiente d 33 de 25 pC N ‐1

4 3 12

Temperatura de Curie de 675oC Coeficiente d 33 de 30 pC N ‐1

CaBi 2Nb2O9

Temperatura de

Curie de

943oC

Coeficiente d 33 de 20 pC N ‐1

Estructura del Bi 4Ti 3O12 con 2 bloques [Bi 2 Ti 3O7 ] ‐2 entre las capas de [Bi 2O2 ] 2+



Appl. Phys. Lett.

87 082911 (2005)


para

transducción

electromecánica



Fronteras en piezoeléctricos cerámicos

Investigación muy tecnologíca

μ μ

Nanoestructuración de los

materiales,

y efectos

de

la

nanoestructuración en

las

propiedades

Por ejemplo en el diagrama de fases, y en la movilidad de las paredes ferroeléctricas/ferroelásticas

Nuevos materiales de muy alta piezoelectricidad

Desarrollo de nuevos rocedimientos de texturación

Nuevos materiales de alta sensibilidad sin plomo, y nuevos materiales para transducción

a alta tem eratura

Tecnologías de

lámina

delgada

(<

1 μm)

⇒ Piezoeléctricos

integrados

Motivado por la miniaturización de los componentes cerámicos y la implementación

de detección y actuación



en sistemas

microelectromecánicos


piezoeléctricos

para

transducción

electromecánica



Miniaturización de dispositivos cerámicos piezoeléctricos: actuadores

Estructuras multicapa para amplificación longitudinal: L=N d 33 V Los desarrollos siguen a los demostrados en MLCs

Micropalanca actuada piezoelectricamente fabricada

por tecnología

de

microfabricación de

Si

Dispositivo metal ‐cerámico

para

Flexo‐

extensión

ec ro os

Piezo

Si

Estructura tipo palanca: δ ∝ d 31 (L/t)2 V



Cantilever en inglés

Piezoeléctricos para

detección

y actuación



Piezoeléctricos integrados. Sistemas microelectromecánicos piezoeléctricos

Un primer

ejemplo:

detector de

fuerzas

para

SPM

consistente

en una lámina piezoeléctrica integrada en la micropalanca

I

Electrodo superior OR

Nanotechnol. 4 477 (1993)

Sistema de retroalimentación

Lámina piezoeléctrica*

Generador de

funciones

(200x50x3.5 μm)

Piezocerámica

Amplificador de alto voltaje



Posicionador xyz

* ZnO o Pb(Zr,Ti)O3 /Pt

Sistemas microelectromecánicos piezoeléctricos



Parámetros de la micropalanca y del detector con una lámina de Pb(Zr,Ti)O3 /Pt

3l

K 3k = , constante de muelle

k=8.7 N m‐1

M

K 875.1 f

2

2

π

=

, frecuencia de resonancia f=72.5 kHz

π

⎪⎪

⎥

⎤

⎢

⎡ ⎟⎜

n

2

i 2

e31=10 C m‐2

Res=0.7 nm

∑

⎪

⎭

⎪

⎬

⎪

⎩

⎪

⎨

⎥

⎥

⎦

⎢

⎣

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∑

= =1i 1 j j ni i 2

hy 12

whc K

∑

⎥

⎥

⎦

⎤

⎢

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

∑

=

n

1i i i i

i

1 j j

n

1i i i n hc / 2

hhhc y

∑

=

n

1i i i hw M

ρ

⎦






Esquema de

la

fabricación

de

una

micropalanca con

lámina

delgada

piezoeléctrica

integrada

FE Cr/Au



Si SiO2 Ti/Pt




Otro ejemplo: micromotor piezoeléctrico

Sens. Actuat. A 48 157 (1995)

f=26 kHzv=200 rpm

M=35

nN m

Engranaje de salida

Eje a 2.5 V y 1 mN

Rotor de

CuBe

Rueda para centrado

Oblea de silicio con membrana

micromecanizada (t=20 μm, φ=4 mm)



Lámina piezoeléctrica ZnO o Pb(Zr,Ti)O3 /Pt


detección

y actuación



Láminas de Pb(Zr,Ti)O3 en el MPB sobre sustratos de Pt/SiO2 /Si

De nuevo, fuertes efectos de lámina delgada, con coeficientes piezoeléctricos significativamente menores que en volumen

Un primer e ecto: isminuci n e os coe icientes e ectivos por a imitaci n e a e ormaci n

en el

plano

de

la

lámina

(por

el

sustrato)

E d d d D σ

ε

Detección

3333

E

332

E

131

E

133 E d sssS σ

Actuación,

o o ong u na

0E d sssS 3313E 132

E 121

E 111 =

σ

0E d sssS 3313E 132E 111E 122 =

σ

E 1333 s

d 2d d SD



1211. ,33 ssE

Origen de

los

efectos

de

lámina

en

la

piezoeléctricidad del

Pb(Zr,Ti)O3



Modo transversal

S E SeSeSeD εDetección

E E E E eSc Sc Sc

Actuación,

3313E 132

E 111

E 122 E eSc Sc Sc

0E eSc Sc Sc 3333332131133 =

E

E 13

3331.efec ,312 ,13 c

eeeD

σ



33 ,

Origen de

los

efectos

de

lámina

en

la


Pb(Zr,Ti)O3

Un segundo efecto: limitación de la movilidad de las paredes ferroelectricas/ferroelásticas



Un segundo efecto: limitación de la movilidad de las paredes ferroelectricas/ferroelásticas por la limitación de la deformación en el plano de la lámina

E ecto descrito en la conmutación de la olarización: des lazamientos de lar o alcance

Láminas de PbZr 0.52Ti 0.48 O3 /Pt/Ti/SiO2 /Si preparadas por CSD, con espesor de 0.5‐7.5 μm,

μ

También limita los desplazamientos de corto alcance ⇒ coeficientes piezoeléctricos

. μ ,

Estudio

de

la

no

linealidad

del

efecto

piezoeléctrico

⇒ Presencia de dominios de 90o , básicamente inmóviles con espesor < 2 μm

Efecto de diametro de grano (de columna)



J. Appl. Phys. 89 1336 (2001); J. Am. Ceram. Soc. 87 221 (2004)

Un apunte

sobre

no

linealidades

en

ferroeléctricos



Existencia de un régimen Rayleigh en el coeficiente piezoeléctrico

asociado a desplazamientos

irreversibles

e as pare es e om n os erroe c r cos erroe s cos

E d d o3333

Paredes móviles

Pb(Zr,Ti)O3

: Nb

Paredes inmóviles

SrBi 2Ta2O9



J. Appl. Phys. 82 1788 (1997)

Origen de

los

efectos

de

lámina

en

la


Pb(Zr,Ti)O3



Un tercer efecto: posible desaparición del MPB entre los polimorfos ferroeléctrico y tetragonal

Láminas de PbZr x Ti 1‐ x O3 /Pt/Ti/SiO2 /Si preparadas por CSD, con espesor de 0.2 μm,

diámetro de grano (de columna) de 0.1 μm, y orientación <111>

Paredes inmóviles J. Appl. Phys. 93 5568 (2003)

?



Origen de

los

efectos

de

lámina

en

la


Pb(Zr,Ti)O3

Teoria termodinámica



El estado

de

equilibrio

del

sistema

viene

determinado

por

la

deformación

por

desajuste

de

red

Teoria termodinámica

m= ‐ o o

Láminas epitaxiales de Pb(Zr,Ti)O 3 con orientación [100]

Phys. Rev. B 67 054107 (2003)

/Si?

MPB en<001>

/STO



J. Appl. Phys. 93 4091 (2003), 97 074101 (2005)


detección

y actuación

á i d b( b ) b i l b d / i / i



Láminas de Pb(Mg1/3Nb2/3 )O3‐PbTiO3 en el MPB sobre sustratos de Pt/SiO2 /Si

Estabilización del

estado

relaxor de

alta

temperatura

por

un

efecto

de

tamaño

de

columna

0.70PMN-0.30PT1 μm

⇒ Es necesario considerar los efectos de tamaño junto a los del sustrato en láminas columnares o policristalinas

μ

2000 100

)

Thin Film

-5 -3 -1 1 3 5

Thin Film - 2 ) CGC

E for the ceramics (kV mm-1)0.5 micron

1000

1500

1

10

m i t t i v i t y , ε

( x ε o

s s e s ,

t a n δ

0

20

a t i o n ,

P ( μ C

c

FGC

500 0.1

R e l a t i v e p e r

D i e l e c t r i c l

-20 l e c t r i c

p o l a r i s

300 350 400 450 500 550

0 0.01

Temperature, T (K)

0.1, 1, 10, 100, 1000 kHz

-50 -30 -10 10 30 50

Electric field for the film, E (kV mm-1)



J. Mater. Res. 24 526 (2009); J. Phys. D: Appl. Phys. 43 205401 (2010)

. . .

Piezoeléctricos en

tecnologías

de

radiofrecuencias

y microondas

Tecnología LCCT (del inglés low ‐temperature co‐ fired ceramics)



g ( g p f )

para circuitos incrustados (embedded)

Tecnologías

SAW y BAW

(del

ingles

surface/bulk acoustic wave)

en lámina delgada piezoeléctrica

¿?



J. Am. Ceram. Soc. 89 2063 (2006)

Piezoeléctricos en

tecnologías

de

radiofrecuencias

y microondas



Piezoeléctricos en resonancia

n un componen e p ezoe c r co, es pos e exc ar resonanc as mec n cas con un campo e c r co

Base de las aplicaciones de transducción electromecánica: generación y detección de ultrasonidos , y acústica submarina

Cada resonancia

mecánica

lleva

asociada

una

resonancia

eléctrica

Base de las aplicaciones en tecnologías de radiofrecuencias: filtros SAW

Nicho de cristales (de LiNbO3 y LiTaO3 )

filtros BAW

Nicho de láminas delgadas de piezoeléctricos no ferroeléctricos4

AlN y ZnO

2

3

e ,

G ( s

i e m

e n s )

Orientación indispensable

Resonancia en espesor de un disco de 500 μm en 4 MHz (f ∝t ‐1 )

0

1

c o n d u c t a n c

J. Appl. Phys. 100 051606 (2006)⇒ 2‐15 GHz en el rango de la μm



3900 4000 4100 4200

frequency, f (kHz)

piezoelectricos dif

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