Estudio teórico-experimental de las propiedades piezoeléctricas de perovskitas libres de plomo basadas en BiFeO3

Abstract

En el presente trabajo se estudió tanto el efecto piezoeléctrico, para hacer una descripción macroscópica del efecto, es decir, obtener las ecuaciones que describen al efecto (ecuaciones fundamentales piezoeléctricas). Ya que el fenómeno piezoeléctrico tanto en cristales como en cerámicos polarizados es un efecto netamente anisotrópico, resulto necesario hacer uso de física del medio continuo, con el fin de tener en cuenta la naturaleza tensorial de las cantidades físicas que describen al fenómeno. Una adecuada introducción de las simetrías que afectan las cantidades físicas (tensor de permitividad diléctrica, tensor de elasticidad y tensor piezoléctrico) que describen el efecto piezoeléctrico, permiten hacer uso de un método de reducción de componentes para los diferentes tensores, lo que conlleva a conocer cuales componentes deberán ser medidas experimentalmente y así hacer una adecuada caracterización del efecto piezoeléctrico. El compuesto que se utilizó para hacer las respectivas medidas fue la ferrita de bismuto, se analizó el comportamiento eléctrico de cerámicas de ferrita de bismuto (BiFeO3) cuando son modificadas por medio de sustitución iónica usando como ion dopante el elemento Lantano(la), esto se hizo con el fin de observar si el fenómeno piezoeléctrico estaba presente al tratar de mejorar sus propiedades aislantes. Experimentalmente Se hicieron medidas de la componente ε33 del tensor de permitividad dieléctrica en función de la frecuencia y temperatura. Además se midió las pérdidas de esta componente, por medio de la tangente de perdidas, esto básicamente con el objetivo de conocer que tan buenas capacidades aislante presentaba el BiFeO3, dado que este compuesto es multiferróico se hicieron medidas del ciclo de histéresis a diferentes frecuencias de excitación (5Hz y 50Hz), y por último se midió la presencia del fenómeno piezoeléctrico, por medio del coeficiente d33 del tensor piezoeléctrico a una tensión σ33 = 25 kN. Los resultados obtenidos mostraron al analizar la dependencia de la permitividad dieléctrica (ε33) con la frecuencia y la tangente de perdidas asociada a esta cantidad, que el mecanismo de polarización predominante fue el mecanismo de Maxwell-Wagner (mecanismo que fue expuesto en el anexo IV), Los resultados obtenidos de ε33 con la temperatura mostraron que el compuesto desarrolla una alta conductividad eléctrica a una cierta, lo que fue confirmado por la forma que presento el ciclo de histéresis (se hizo uso de un modelo basado en la teoría de Landau para entender este ciclo, el cual fue expuesto en el anexo V ), esto condujo a concluir que desafortunadamente la ferrita de bismuto a diferentes porcentajes (x= 0.05, 0.010, 0.015, 0.20) de lantano (elemento dopante), no presenta el fenómeno piezoeléctrico y que fue comprobado por los bajos valores de d33 para las diferentes concentraciones.