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Title

Láminas delgadas de (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 en torno a la frontera de fase morfotrópica preparadas por métodos de depósito químico y fotoquímico de disoluciones

Other Titles(Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 thin films close to the morphotropic phase boundary prepared by chemical and photochemical solutions deposition
AuthorsPerez-Mezcua, Dulce
AdvisorCalzada, M. L. ; Sirera Bejarano, Rafael
Issue Date15-Jun-2016
PublisherUniversidad de Navarra
CSIC - Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM)
Abstract[ES] Actualmente, las cerámicas ferro-piezoeléctricas empleadas en sistemas micro- y nano-electromecánicos (del inglés micro- and nano-electromechanical systems, MEMS y NEMS) se basan en la perovsquita de zirconato titanato de plomo (Pb(ZrxTi1-x)O3, PZT). La mayor preocupación en torno a estos materiales es su impacto ambiental, por lo que la búsqueda de alternativas sin plomo resulta clave para su aplicación en una amplia gama de dispositivos electrónicos. Entre las cerámicas sin plomo se encuentra la disolución solida de titanato de bismuto, sodio y bario, (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3, sistema que desarrolla una frontera de fase morfotrópica, similar a la que presenta el PZT, donde se observa la coexistencia de la estructura tetragonal y romboédrica, produciéndose una maximización de las propiedades electromecánicas. Esta tesis doctoral se centra en el depósito de disolución química de láminas delgadas de (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 y el estudio de la posición de la MPB en estos materiales mediante análisis estructurales y composicionales empleando técnicas de caracterización avanzadas. Los resultados han contribuido a mejorar el conocimiento del sistema (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 cuando se fabrica en forma de lámina delgada, elucidando las características estructurales y composicionales en función del contenido de BaTiO3 y en composiciones próximas a la MPB. En este trabajo se ha estudiado un nuevo método de síntesis en disolución para la preparación de láminas de óxidos cristalinos a baja temperatura empleando radiación UV. El método se basa en la síntesis del complejo de coordinación de Bi(III)-N-metildietanolamina, el cual presenta estados excitados de transferencia de carga inducidos al irradiar con luz UV. Esto desencadena reacciones fotoquímicas que son capaces de acelerar la formación de los óxido metálicos a baja temperatura. A partir de esta nueva metodología se han preparado con éxito láminas de la fase metaestable de β-Bi2O3 y de la perovsquita de (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 (x= 0.055) por debajo de 400 oC.
[EN] Commercial ferro- piezo-electric ceramics currently used in micro- and nano-electromechanical systems (MEMS and NEMS) are mainly based on the lead zirconate titanate Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT) perovskite. The major concern about this material is its environmental impact and thus, the search of lead-free alternatives is a key objective for these applications. Among the lead-free ceramics, the bismuth, sodium, barium titanate (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 is considered a promising compound as it presents a morphotropic phase boundary (MPB) similar to that of PZT, where a tetragonal and a rhombohedral structure coexists, and where a maximization of the electromechanical properties occurs. This Ph.D thesis has been focused on the chemical solution deposition of (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 thin films and the study of the position of the MPB in these materials by means of compositional and structural analysis, using for that advanced characterization techniques, such as Rutherford Backscattering Spectroscopy, Synchrotron radiation or X-ray diffraction with a four circle goniometer. The results obtained have contributed to a better knowledge of the (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 system when fabricated as thin film form, elucidating the compositional and structural characteristics of the (Bi0.5Na0.5)1-xBaxTiO3 thin films as a function of the BaTiO3 content and in the proximity of the MPB. This Ph.D Thesis has also studied a novel synthesis method in solution for the preparation of crystalline oxide films at low temperatures by using UV-irradiation. The method is based on the synthesis in solution of a Bi(III) – N-methyldiethanolamine coordination complex, where charge transfer excited states are induced by UV-irradiation. This promotes photochemical reactions that are able of accelerating the formation of the metal oxide at low temperatures. The method has been successfully applied to the preparation of films of the metastable β-Bi2O3 phase and the (Bi0.5Na0.5)0.945Ba0.055TiO3 perovskite at temperatures below 400C.
DescriptionTesis presentada para aspirar al grado de Doctor por la Universidad de Navarra. El presente trabajo ha sido realizado en los Departamentos de Química de la Facultad de Ciencias de la Universidad de Navarra y de Materiales para las Tecnologías de la Información del Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC).
URIhttp://hdl.handle.net/10261/133816
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