titanato de zirconato de plomo

El titanato de zirconato de plomo , también llamado titanato de zirconio de plomo y comúnmente abreviado como PZT , es un compuesto inorgánico con la fórmula química Pb [ Zr _x Ti _{1− x} ]O ₃ (0 ≤ x ≤ 1) . Es un material cerámico de perovskita que muestra un marcado efecto piezoeléctrico , lo que significa que el material acumula una carga eléctrica en respuesta a una tensión mecánica. El efecto piezoeléctrico es un proceso reversible: los materiales que exhiben el efecto piezoeléctrico también exhiben el efecto piezoeléctrico inverso, la generación interna de tensión mecánica resultante de un campo eléctrico aplicado. Se utiliza en diversas aplicaciones prácticas, como transductores ultrasónicos y resonadores piezoeléctricos . Es un sólido de color blanco a blanquecino. ^{[ 1 ]}

El titanato de circonio y plomo se desarrolló por primera vez alrededor de 1952 en el Instituto Tecnológico de Tokio . ^{[ 2 ] [ 3 ]} En comparación con el titanato de bario , un material piezoeléctrico a base de óxido metálico descubierto previamente , el titanato de circonio y plomo presenta mayor sensibilidad y una temperatura de funcionamiento más alta. Las cerámicas piezoeléctricas se eligen para aplicaciones debido a su resistencia física, inercia química y su coste de fabricación relativamente bajo. La cerámica PZT es la cerámica piezoeléctrica más utilizada porque tiene una sensibilidad aún mayor y una temperatura de funcionamiento más alta que otras cerámicas piezoeléctricas. ^{[ 4 ]}

Debido a su naturaleza piezoeléctrica, el titanato de zirconato de plomo desarrolla un voltaje (o diferencia de potencial) entre dos de sus caras al comprimirse (útil para aplicaciones de sensores) y cambia físicamente de forma al aplicarle un campo eléctrico externo (útil para aplicaciones de actuadores). ^{[ 5 ]} La permitividad relativa del titanato de zirconato de plomo puede variar de 300 a 20000, dependiendo de la orientación y el dopaje. ^{[ 6 ]}

Al ser piroeléctrico , este material desarrolla una diferencia de potencial entre dos de sus caras bajo cambios de temperatura; por consiguiente, el titanato de zirconato de plomo puede utilizarse como sensor de calor. ^{[ 7 ]} El titanato de zirconato de plomo también es ferroeléctrico , lo que significa que posee una polarización eléctrica espontánea ( dipolo eléctrico ) que puede invertirse en presencia de un campo eléctrico. ^{[ 8 ]}

El material presenta una permitividad relativa extremadamente alta en el límite de fase morfotrópica (MPB) cerca de x  =  0,52 a temperatura ambiente. ^{[ 9 ]} En esta composición y temperatura, coexisten las fases tetragonal y romboédrica del PZT. Sin embargo, a temperaturas inferiores a 250 K, la composición del MPB se transforma en una estructura cristalina monoclínica. ^{[ 10 ]}

Algunas formulaciones son óhmicas hasta al menos250  kV/cm (25  MV/m ), después de lo cual la corriente crece exponencialmente con la intensidad del campo antes de alcanzar la ruptura por avalancha ; pero el titanato de zirconato de plomo exhibe una ruptura dieléctrica dependiente del tiempo: la ruptura puede ocurrir bajo tensión constante después de minutos u horas, dependiendo de la tensión y la temperatura, por lo que su rigidez dieléctrica depende de la escala de tiempo en la que se mide. ^{[ 11 ]} Otras formulaciones tienen rigidez dieléctrica medida en elRango de 8 a 16  MV/m . ^{[ 12 ]}

Los materiales a base de titanato de zirconato de plomo son componentes de condensadores cerámicos y actuadores (tubos) para microscopios de efecto túnel ( STM ) y microscopios de fuerza atómica ( AFM ).

El titanato de zirconato de plomo se utiliza para fabricar transductores de ultrasonido y otros sensores y actuadores , así como condensadores cerámicos de alto valor y chips FRAM . También se emplea en la fabricación de resonadores cerámicos para la sincronización de referencia en circuitos electrónicos. Las gafas antirreflejo con PLZT protegen a la tripulación aérea de quemaduras y ceguera en caso de explosión nuclear. ^{[ 13 ]} Las lentes de PLZT podrían volverse opacas en menos de 150 microsegundos.

Comercialmente, no se suele utilizar en su forma pura, sino que se dopa con aceptores, que crean vacantes de oxígeno (aniones), o con donadores, que crean vacantes de metal (cationes) y facilitan el movimiento de las paredes de dominio en el material. En general, el dopaje con aceptores crea titanato de zirconato de plomo duro , mientras que el dopaje con donadores crea titanato de zirconato de plomo blando . El titanato de zirconato de plomo duro y blando generalmente difieren en sus constantes piezoeléctricas. Las constantes piezoeléctricas son proporcionales a la polarización o al campo eléctrico generado por unidad de tensión mecánica, o bien, a la deformación mecánica producida por unidad de campo eléctrico aplicado. En general, el titanato de zirconato de plomo blando tiene una constante piezoeléctrica más alta, pero mayores pérdidas en el material debido a la fricción interna . En el titanato de zirconato de plomo duro , el movimiento de las paredes de dominio está fijado por las impurezas, lo que reduce las pérdidas en el material, pero a costa de una constante piezoeléctrica reducida.

Una de las composiciones químicas más estudiadas es PbZr _0,52 Ti _0,48 O ₃ . El aumento de la respuesta piezoeléctrica y la eficiencia de polarización cerca de x = 0,52 se debe al mayor número de estados de dominio permitidos en el MPB. En este límite, los 6 posibles estados de dominio de la fase tetragonal ⟨100⟩ y los 8 posibles estados de dominio de la fase romboédrica ⟨111⟩ son energéticamente igualmente favorables, lo que permite un máximo de 14 posibles estados de dominio. ^{[ 14 ]}  

Al igual que el tantalato de plomo y escandio y el titanato de bario y estroncio , estructuralmente similares , el titanato de zirconato de plomo se puede utilizar para la fabricación de sensores de imagen infrarroja de matriz fija sin refrigeración para cámaras termográficas . Se utilizan tanto estructuras de película delgada (generalmente obtenidas por deposición química de vapor ) como estructuras masivas. La fórmula del material utilizado suele aproximarse a Pb _1.1 (Zr _0.3 Ti _0.7 )O ₃ (denominado titanato de zirconato de plomo 30/70). Sus propiedades pueden modificarse mediante el dopaje con lantano , dando como resultado titanato de zirconio de plomo dopado con lantano ( titanato de zirconato de plomo , también llamado titanato de zirconio de lantano y plomo ), con fórmula Pb _0.83 La _0.17 (Zr _0.3 Ti _0.7 ) _0.9575 O ₃ (titanato de zirconato de plomo 17/30/70). ^{[ 15 ] [ 16 ]}

• fluoruro de polivinilideno (PVDF)
• niobato de litio

• Titanato de zirconato-5A Titanato de zirconio de plomo Propiedades del material