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8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
Técnicas específicas de caracterización
de materiales piro‐ y piezoeléctricos
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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jk ijk i SeD = j i ijkl i ijk jk g
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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Piezoelectric Actuators and Ultrasonic Motors
(Kluwer Academic Publishers, 1999)
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No tan breve revisión de piezoelectricidad
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
∂
∂
=
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ó
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No tan breve revisión de piezoelectricidad
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 =
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Permitividades y coeficientes elásticos que dependen de
las condiciones de contorno
B ( í) i ió d fí i d i lé i
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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
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En transiciones de primer orden,el coeficiente diverge en la transición
,
Pi lé t id d t i l i lé t i
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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
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tiempo, t
Piroeléctricos para detección
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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
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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
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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
=
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Controlado por el ruido Johnson del condensador,y las pérdidas dieléctricas
Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja
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Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja
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
⇒
⇒
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J. Am. Ceram. Soc. 90 142 (2007)
Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja
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Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja
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,
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1/2 1/2 3
El copolimero ferroeléctrico P(VDF ‐TrFE)
Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja
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Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja
Materiales para detectores de radiación infrarroja piroeléctricos integrados
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Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja
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Detectores piroeléctricos de radiación infrarroja
Basados en la piroelectricidad inducida
Rep. Prog. Phys. 64 1339 (2001)
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Piezoeléctricos para detección y actuación
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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)
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eco ecc n
e energ a
Cristales en aplicaciones específicas
Energy Harvesting
Materiales cerámicos piezoeléctricos para transducción electromecánica
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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
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Materiales cerámicos piezoeléctricos de Pb(Zr,Ti)O3
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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
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Piezoelectric ceramics (Academic Press, 1971)
Materiales cerámicos piezoeléctricos de Pb(Zr,Ti)O3
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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
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Las ceramicas ferroeléctricas polarizadas
son los únicos policristales piezoeléctricos (y piroeléctricos)
Un apunte general sobre cerámicas piezoeléctricas
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σ3
Efecto piezoeléctrico longitudinal
Efecto piezoeléctrico de cizalla
σ
D3=d 33σ3P
σ5
D1=d 15σ5P
σ
1
= σ
Efecto piezoeléctrico transversal
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Origen de la alta actividad piezoeléctrica del Pb(Zr,Ti)O3 en el MPB
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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
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J. Appl. Phys. 101 074107 (2007)
Origen de la alta actividad piezoeléctrica del Pb(Zr,Ti)O3 en el MPB
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Contribución de la movilidad de las paredes de dominio ferroeléctricos‐ ferroelásticosa los coeficientes piezoeléctricos
Ilustración de la deformación bajo campo por movimiento
o
E
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Materiales cerámicos
piezoeléctricos
de
Pb(Zr,Ti)O3
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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-
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La 3+ Pb 2+
Mecanismo mal entendido
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Mecanismo responsable
de
la
disminución
de
la
movilidad
de
las
paredes
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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
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de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
J. Appl. Phys. 73 3454 (1993)
Materiales cerámicos
piezoeléctricos
de
Pb(Zr,Ti)O3
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http://www.ferroperm‐piezo.com/
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http://www.morganelectroceramics.com/products/piezoelectric/
Origen de
la
alta
actividad
piezoeléctrica
del
Pb(Zr,Ti)O3 en
el
MPB
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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)
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[110]
Origen de
la
alta
actividad
piezoeléctrica
del
Pb(Zr,Ti)O3 en
el
MPB
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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)
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Materiales piezoeléctricos
para
transducción
electromecánica
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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)
Instituto de Ciencia Instituto de Ciencia
de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
Cristales piezoeléctricos
con
piezoelectricidad
ultra
‐grande
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
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
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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Tecnología clave
para
transducción
electromecánica
de
alta
sensibilidad
A.A. Bokov, Mater. Sci. Eng. B 120 206 (2005)
. . , . .
Instituto de Ciencia Instituto de Ciencia
de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
http://www.trstechnologies.com/Products/single_crystal.php
Materiales piezoeléctricos
para
transducción
electromecánica
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 33/57
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
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Material cerámico texturado
Materiales cerámicos
texturados piezoeléctricos
para
muy
alta
piezoelectricidad
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 34/57
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)
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Materiales piezoeléctricos
para
transducción
electromecánica
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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Nature 432 84 (2004)
Materiales cerámicos
piezoeléctricos
sin
plomo
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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Materiales cerámicos
piezoeléctricos
sin
plomo
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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Modelo de materiales basados en el conocimiento
Diseño de
materiales
sin
plomo
con
alta
piezoelectricidad
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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)
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Appl. Phys. Lett. 91 112906 (2007)
Diseño de
materiales
sin
plomo
con
alta
piezoelectricidad
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 39/57
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
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J. Appl. Phys. 51 1142 (1980)
Materiales piezoeléctricos
para
transducción
electromecánica
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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Jpn. J. Appl. Phys. 40 5999 (2001)
Materiales cerámicos
piezoeléctricos
para
operación
a alta
temperatura
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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Chem Mater. 19 4982 (2007)
2θ
Materiales cerámicos
piezoeléctricos
para
operación
a alta
temperatura
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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+
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Appl. Phys. Lett.
87 082911 (2005)
Materiales piezoeléctricos
para
transducción
electromecánica
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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en sistemas
microelectromecánicos
Materiales cerámicos
piezoeléctricos
para
transducción
electromecánica
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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Cantilever en inglés
Piezoeléctricos para
detección
y actuación
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
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Posicionador xyz
* ZnO o Pb(Zr,Ti)O3 /Pt
Sistemas microelectromecánicos piezoeléctricos
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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
⎦
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Sistemas microelectromecánicos piezoeléctricos
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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Esquema de
la
fabricación
de
una
micropalanca con
lámina
delgada
piezoeléctrica
integrada
FE Cr/Au
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Si SiO2 Ti/Pt
Sistemas microelectromecánicos piezoeléctricos
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
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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)
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Lámina piezoeléctrica ZnO o Pb(Zr,Ti)O3 /Pt
Piezoeléctricos para
detección
y actuación
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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
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1211. ,33 ssE
Origen de
los
efectos
de
lámina
en
la
piezoeléctricidad del
Pb(Zr,Ti)O3
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 50/57
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
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33 ,
Origen de
los
efectos
de
lámina
en
la
piezoeléctricidad del
Pb(Zr,Ti)O3
Un segundo efecto: limitación de la movilidad de las paredes ferroelectricas/ferroelásticas
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 51/57
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)
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de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
J. Appl. Phys. 89 1336 (2001); J. Am. Ceram. Soc. 87 221 (2004)
Un apunte
sobre
no
linealidades
en
ferroeléctricos
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 52/57
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
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J. Appl. Phys. 82 1788 (1997)
Origen de
los
efectos
de
lámina
en
la
piezoeléctricidad del
Pb(Zr,Ti)O3
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 53/57
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)
?
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de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
Origen de
los
efectos
de
lámina
en
la
piezoeléctricidad del
Pb(Zr,Ti)O3
Teoria termodinámica
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 54/57
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
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J. Appl. Phys. 93 4091 (2003), 97 074101 (2005)
Piezoeléctricos para
detección
y actuación
á i d b( b ) b i l b d / i / i
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 55/57
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)
Instituto de Ciencia Instituto de Ciencia
de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
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)
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 56/57
g ( g p f )
para circuitos incrustados (embedded)
Tecnologías
SAW y BAW
(del
ingles
surface/bulk acoustic wave)
en lámina delgada piezoeléctrica
¿?
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de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
J. Am. Ceram. Soc. 89 2063 (2006)
Piezoeléctricos en
tecnologías
de
radiofrecuencias
y microondas
8/19/2019 Piezoelectricos Dif
http://slidepdf.com/reader/full/piezoelectricos-dif 57/57
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
Instituto de Ciencia Instituto de Ciencia
de Materiales de Madridde Materiales de Madrid
3900 4000 4100 4200
frequency, f (kHz)