REVISTA MEXICANA DE FíSICA 45 SUI'LEl\lENTO 1. 78-80 JUNIO 1999

Variación de las propiedades piroeléctricas y dieléctricas en cerámicas deSrO.3_3y/2LayBao.7Nb206 por impurificación con diferentes concentraciones de

lantano

J. Portcllcs1,1, H. Amorín3, r. Guerrero1,'1. A. FLJl1d()ra~'~\J.M. Siquciros~, .l. Valcnzuela~, and G. Hirata1

1 Facll!{{ldde F(~¡(a. Uni\'ersidad de La !labona, Cuba"2 Centro de Ciencias de la Materia Condensada, l!"i\'ersidad Nacional Autónoma de /l.léxico, 22ROO Enset/ada, lJ. e, Mexic()

:~/llstit/lto de Mmeriales y Reacri\'os, IMRE, Universidad de La Ha/Jww, Cuba.1 Facultad {Ji' Ffsica, Universidad de Oriente, Sal/lú/Ro de Cuba

G. RosarioUniversidad de Moa, Oriente, el/ba

Recihido el3 de abril de I99l:Laceptado el 27 de mayo de 199X

La sustitución c,ltiónica del 1. 3, Y5% de La3+ en los sitios A de la estructura pcrovskita de cer{¡micas SrO.3_3¡¡/:.!Lay Bao.¡Nb:.!Olh modificasignificativamente las propiedades dieléctricas y piroeléctricas de esta composición. En este trabajo se exponen resultados experimentales dela medida de la pennitividad dieléctrica como función de la tempernlllra y de la piroelectricidad por el método est,ltico. Se observa un mejo-ramiento de la piroelectri(.~idad, en los valores máximos de la pennitividad dieléctrica de las cerámicas obtenidas pnra concentrneiones hastadel Y;:f, de La3+. Para impuriflcaciones del 5% y mayores, las propiedades mlles señaladas se deterioran, debido a un límite de soluhilidaddel La3+ en el material huésped.

Ikscl"ll,rorC's: PiroeJéctricidad; cerámicas ferroeléctricas

The cationic substitution of 1. 3. Y5% of La3+ in the A sites 01"the perovskite structure 01"the Sr03_3y/:.!LlyNb'lOti ceramics significantlylllodilics it.s diclcctric and pyroclectric properties. Experimental measurelllcllts 01"dielcctric perlllittivity as a fUllction 01"temperature andpyroclcctricity ns detcrmined by the static method are presented, An improvement in the pyroclectric behavior, in the milxirnum dielectricpermittivity are ohserveu for lhe compositions wilh doping up to 3% of La3+. For doping 01"5% ami ahove, the ahove mentioned propcrtiestend to delerioralc apparently due lo a solubility limit of lhe La3+ in the ceramic host.

Keywords: Pyroelectric: ferroelectric ceramics

rAes: 77X4-s: 77.R4.Dy

1. Introducción

Desde el primer cristal estudiado de PhNh:20E¡. un niohaloferroeléclrico tipo hronce-tungsteno tetragonal, descubiertopor Googman en 1953 [11 hasta hoy, se han desarrollado nu-merosas composiciones de niohalos alcalinotérreos, entre loscunles se cnCllentrnn: NaBa~Nhf, 015 (BNN). K3Li"2Nh.~,015(KLN), y el Sr,_"Ba,Nh1 00 (SBN) 121.El sistellla SBNfue reportado por FrancoJ1lhe en 1960 [3] Yexhihc excelentespropiedades electro-ópticas. altos coeficientes piroeléctricosy hajos tiempos de respuesta « 30 ns), lo que hace que ha-yan sido utilizndos como detectores de radiación, multiplica-dores de frecuencia, memorias holográficas cte. En el 1969.Glass H 1 estudió este sistcma en una amplia gama de com-posiciones, desde J: = 0.25 hasta:f = 0.75. La composición.1" = 0.75 presenta los mayores valores de corriente piro-eléctrica a los mayorcs valores de tcmperntura de transici6n.Esta alla temperatura. así como sus bajos valores de corrien-te a tempcralllra ambiente lo hizo ser menos adecuado paraaplicaciones como detector de radinción que las composicio-nes con.1" < 0.75. T\lacciolek y Liu {Glmostraron que cuandose impurifIca la composici6n rnonocristalina de SBN(O.5/O.5)

con cationes de tierras raras. las propiedades físicas se con-trolan por la sustitución caliónica, logrí.índose disminuir con-siderahlemcnte la tcmpcraturn de Curie y pudiéndose obtcnervalores del coellciente piroeléctrico hasta 2 veces superioresa los del SBN. En trahajos anteriores (5], se estudió In com-posición Sr(u1bo,; Nh~Or.+ .11% dc UtlO:~ para y = 0.1. 0.2.0.3, 0.5, Y I c¡", enconwínciose un comportamiento similar almostrado por elmalerialmonocristalino [6J, con la peculiari-dad de la degradación de las propiedades pirocléctricas paray=l(Yt,.

A difcrencia de trahajos precedentes 15 J se propu-so como ohjetivo, trahajar el SBN 0.3/0.7 impurificadocon lantano de forma estcquiométrica según la fórmula(Sro ..1_:llll"2Lay)Bao.7Nh"20(;y estudiar In inlluencia de la im-purificación con La:1+ sohre sus propiedades dieléctricas. pi-rocléctricas y térmicas.

2. Procedimiento experimental

Las muestras se prepararon por el método cer;:ímico tradicio-nal, tic acuerdo a la composición (Sr(l:~_3!1I"2La!l)Ba(}.1Nh10f¡

VARI:\CIÚN I>E LAS I'ROI'IEI>,\I>ES I'IR()ELl~C'm.ICAS y D1ELf:CTRICAS EN CERÁMICAS DE. 79

o

8¡--------------,

TAHLA 1.Comparación entre composiciones SBN70 y LSBN paradiferentes concentraciones de lantano.

FUjllR,\ 2, Polariz¡lCión C"'r"rl~::;¡":'d len IJOCm2) en función de latemperatura para diferentes conccntraciones de lantano.

150 200 250 300

Temperatura ( Oc )10050

-o-LSBN-I%~o -0- LSBN-3%

.••.:\..,,"'"00'0'0, \

o o

\\o o-"-""11"11 \""'0

1111 'a "----MII_._.~. o,

5

6

2

4

3

7P,

Composiciones Tc("C) E p(lO-.IC/m2OC)SIlN7() 175 61lO

LSIlN-I 170 R50 1.0LSIlN-3 130 , 01lO 1.5I.SIlN-5 76 530 0.6

.0

6O'--'-~~'-~--'---"'---'--'0,01 0.02 0.03 0.04 O.OS

Concentración de La

'40

100

120

180 r------------,T JOC)

160

FIGURA l. Dcpendcncia dc la temperatura de Curic con la concen.trnción de lantano.

para!l = 0.01,0.03,0,05, partiendo de óxidos y carhona.fo~ de alta pureza, los cuales fueron mezclados en medio11límet.lode etanol en un mortcro de ágala. Posteriormente,los polvos previamenle prensados a 2 Tonlcm:?, se calcinarona <)()()"C durante dos horas, LJS muestras fueron sinterizadasa I,.wO°C a tiempos de 1-5 horas. Las composiciones realiza.das se caracterizaron por difracción de rayos X (DRX) en unequipo Philips.P\V.1 ~21 con (¡nodo dc Cu (Al\'nl = 1,;j.IO.')G,Y Ah'rY.!= 1.51,1:~9), con un paso de 0,05°. Para su estudio,las muestras contahan con conlactos eléctricos de plata dt>positad()s por difusi6n a 600°C, El estudio de Iransicioncs defase para las diferenles composiciones se realizó mcdiante el~Ul¡ílisistennocIéctrico [GI y la piroeléclricidad se determin6mediante la técnica esti.Í1icadescrita por Lang y Sleckel [71,

3. Analisis dc los rcsultados

La temperatura para el m¡íximo de la perlllilividad sc oh.¡icllc del an¡ílisis termocléctrico para cada l..:olllposici(jn. LaFig. I lJluestra quc la temperatura dc transici(jn del sistemaSrO:l_J.tJ/:!La!lBao., Nh:!Oli, se comporta linealmente con laconcenlración de impurezas de La:l t de acuerdo a la ITIa.ción: (TI' = ~:10.17..)!J + 18.LloC), ohserv~índosc una dis.minudón sustancia! de la temperatura de transición del sis-tema SrO.:iBaO.,Nh:!O(j con el aumenlo del lantano, lo queindica que el lanlano se incorpora a la estructura, en concor.dancia con los resultados de DRX ¡SI. Como consecuenciade lo anterior, el desorden caliónico en la estructura aurnen~ta, disminuyendo la energía asociada con los enlaces de lared; por consiguiente, disminuye la harrera de energía po.tendal y con ello la temperatura de emie del material. IlL'.cesit¡índose menos energía térmica para eliminar la pol;¡ri.¡ación. De las mediciones de piroelectril'idad por el métodoestütico. se ohsern) UIlalimento de la polaril.ación COII la con.cClltración de impurezas de La:H hasta la composición deylt. indic:índonos esto que la impurel.a alllllenta el momento

dipolar total del sistema. Sin embargo, para la composicióndd 5% se oblienen valores de la polarización inferiores alo esperado. dchido a que este sistema presenla una fase110 polar de hajas perlllitividades, que reduce la polariza-ción lleta del volulllen y, en igual medida, provoca la dis.Illinución de las propiedades dieléctricas en esta composi-ci<Íll.ohscrdndose esto cn la disminución de la pcrmitividaddieléctrica mi.íxima, Tahla 1, así como la disminución de losvalores de la pCl'lnilividad dieléctrica en función de la lempe.ratura repecto a depcndencias similares para las composicio.nes de I (.,;t,. Y 3% COIllO se discule en la Ref. X. En la Tabla 1,sccOIllparanla perlllitividad máxima (Emax) y el coeficiente pi.roeléclrico (p) de las distinlas composiciones estudiadas res-pecto al sistema sin impurificar Sro.3Bao.'¡Nb206 (SBN70).

4. COJll'!usioJlcS

Se encuentra quc. con la suslitución catiónica de diferell-tes (:Ol1centraciOlles relativas de La3+, se obtiene una dis.minuci6n de la temperalura de lransición de compucstosSr(uBao.,Nh:?OI,' Es posihlc, además, mejorar las propieda.des dieléctricas y piroeléctricas para impurificacioncs hasta

RI'I', M('.L Fi.\' . .t5 SI (1999) 7X-RO

so J. PORTELLES el al.

del 3%. Estos resultados sugieren retomar los compuestosLSBN, con ;f = 0.75, como un sistema potencial para serutilizado como deteclor de radiación. Cuando la impurifica-ción es del orden del 5%, se observa que se llega a un límitede solubilidad generándose fases no polares que deterioranlas propiedades útiles del material con respeclo a las compo-siciones con impurificaciones menores.

1. G. Goodman. 1. Am. Cemm. Soco 36 (1956) 368.2. Yuhuan Xu. Faroe!ectric Materia/s Qnd Their ApplicatiolJ5.

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4. A.M. Glass. 1. AI'I'I. Phys. 40 (1969) 4699.

Agradecimientos

Este trabajo fue parcialmente financiado por el CONACyT,proyecto No. 1R87P-E9507 YDGAPA-UNAM proyecto No.IN 108995. Se agradece el apoyo técnico de 1. Gradilla y E.Aparicio. A. Fundora reconoce el apoyo económico de la Se-cretaría de Relaciones Exteriores de México.

5. J.Porlellesetal.,.J.Mat.Sci. Lett.12(1993) 11871.

G. A. Fundara. Tesis de grado, Universidad de la Habana. 1997.

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Re\'. Mex. Fí.<. 45 SI (t999) 78-80