Jóvenes a la Investigación 2009 - CNyN - UNAM

Jóvenes a la Investigación 2009 15 de junio – 3 de julio del 2009ESTUDIO DE LAS PROPIEDADES ESTRUCTURALES, MORFOLÓGICASY ELÉCTRICAS DEL MULTIFERROICO Bi 0.75 Sr 0.25 FeO 3Gabriela de la O a , Carlos Ostos b , Jesús M. Siqueiros ba ITESM, Monterrey, Nuevo León.b Centro de Nanociencias y Nanotecnología, UNAM. Ensenada, B.C.ResumenEn este trabajo se estudió el compuesto Bi 0.75 Sr 0.25 FeO 3 sintetizado mediante el método de reacción de estado sólido (SSR: Solid State Reaction) a partir de los precursores Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 y SrCO 3 . La mezclapreviamente homogeneizada se calcinó directamente a 800°C por 20 minutos. El polvo calcinado se prensó en forma de pastillas y se sinterizó a 1000°C por 20 minutos más. En ambos procesos térmicos serealizó un enfriamiento rápido al aire. Las pastillas sinterizadas se recubrieron con plata para obtener un condensador del tipo Ag/Sr:BFO/Ag. Mediante la técnica de difracción de rayos X (XRD) se observó laobtención de la perovskita Bi 0.75 Sr 0.25 FeO 3 como fase única. La morfología del compuesto sinterizado se estudió a través de la técnica de microscopía electrónica de barrido (SEM). El análisis de la permitividaddieléctrica contra la temperatura permitió observar un comportamiento relaxor con una transición de fase para-ferroeléctrica (T C ) cercana a 250°C a 1 KHz. El estudio de las pérdidas dieléctricas (tan δ) delcompuesto evidenció un comportamiento conductor. El estudio de la conductividad a partir de los diagramas Cole-Cole obtenidos mediante espectroscopia de impedancias, permitió comprobar la altaconductividad del Sr:BFO comparado con el BFO sin dopar. Por último, se demostró el comportamiento ferroeléctrico del material mediante la obtención de los lazos de histéresis de polarización contra campoeléctrico (P-E) con el equipo de la Radiant Technologies.IntroducciónEl compuesto BiFeO 3 (BFO) es un multiferroico con estructura perovskita (Fig. 1) degran interés por sus potenciales aplicaciones tecnológicas en la fabricación dedispositivos magnetoeléctricos y magneto-ópticos. En el BFO coexisten laferroelectricidad, ferroelasticidad y el antiferromagnetismo a temperatura ambiente.Propiedades dieléctricasEl Bi 0.75 Sr 0.25 FeO 3 presentó la transición de fase para-ferroeléctrica (T C ) alrededor delos 250°C a 1 KHz. El compuesto manifestó altas pérdidas dieléctricas (tanδ) comoresultado de una posible conductividad de tipo iónico y electrónico (Fig. 5).Bi 3+Fe 3+O 2-a)Fig. 1. Estructura del BiFeO 3 (BFO)Fig. 2. Diagrama de fases para el BFOEn la obtención del BFO es un reto evitar la formación de fases secundarias deóxidos ternarios como son el Bi 25 FeO 39 y el Bi 2 Fe 4 O 9 (Fig.2). En este trabajo se haexplorado la alternativa de substituir el bismuto por estroncio en la posición A de laperovskita (ABO 3 ), para obtener el compuesto Bi 0.75 Sr 0.25 FeO 3 (Sr:BFO).Fig. 5. Gráficas de permitividad y pérdidas dieléctricas conun barrido de frecuencias entre 1KHz y 1MHzE a = 0.015 eVb)Fig. 6. a) Diagrama Cole-Cole y b) de laconductividad del Sr:BFOSíntesis por reacción de estadosólido (SSR)Sr:BiFeO 3A partir de los diagramas Cole-Cole se demostró la alta conductividad del sistemaa temperatura ambiente (Fig. 6). Las curvas P-E comprobaron el comportamientoferroeléctrico del BFO (Fig. 7a) y el Sr:BFO (Fig. 7b) con valores de la corriente defuga más elevadas en el compuesto dopado con estroncio.a) b)Bi 2 O 3 + Fe 2 O 3 + SrCO 3∆800ºC, 20 minCalentamiento y enfriamientorápido al aireBi 1-x Sr x FeO 3-x/2Sinterización y enfriamientorápido al aire1000ºC, 20 minBi 0.75 Sr 0.25 FeO 2.875Caracterización estructural y morfológicaEl Sr:BFO se obtuvo como fase única(Fig. 3). Las pastillas sinterizadaspresentaron una alta densificación perolos granos no tuvieron una geometríatan definida como en el BFO (Fig. 4).Bi 0.75 Sr 0.25 FeO 2.8751000°Ca) BFOb) Sr:BFOFig. 7. Curvas de histéresis ferroeléctrica y corriente de fuga para el a) BFO y el b) Sr:BFOConclusionesCon base en los resultados expuestos se concluye que el estroncio estabiliza lafase del BFO y modifica notablemente sus propiedades dieléctricas. El compuestoBi 0.75 Sr 0.25 FeO 3 , obtenido en este trabajo mediante el método SSR, presentó unatransición T C por debajo del BFO sin dopar y un comportamiento ferroeléctrico atemperatura ambiente con una elevada conductividad. Este estudio es una primeraetapa para la comprensión de la naturaleza y los mecanismos de conducción querigen al multiferroico BiFeO 3 cuando es dopado con estroncio.Fig. 3. Refinamiento Rietveld para el compuestoFig. 4 Micrografías SEM-EDX del a) BFO sinterizado aBi 0.75 Sr 0.25 FeO 3 .850°C y b) Sr:BFO sinterizado a 1000°C bajo aire.Centro de Nanociencias y Nanotecnología de la UNAMAgradecimientosAl proyecto PAPIME PE100409, al comité organizador de Jóvenes a la Investigación,a los investigadores y al personal del Centro de Nanociencias y Nanotecnología dela UNAM, en especial al Dr. Carlos Ostos y al Dr. Jesús Siqueiros.A mis padres por su apoyo incondicional y a mi director Dr. Alfonso Serrano.Ensenada, B.C., México