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Láminas delgadas de materiales multiferroicos basados en BiFeO3 procesadas en medio acuoso.

Carlos Guimiel Vindel
23 de abril de 2018, ETSI de Telecomunicación (Universidad Politécnica de Madrid)

Directores:
Marco Peiteado López y Teresa Jardiel Rivas. Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC.



El presente trabajo de tesis doctoral se plantea como una aproximación a la problemática de la obtención, por un método sostenible, de láminas delgadas basadas en el sistema BiFeO3 dopado con cationes de tierras raras y Ti4+, con morfología controlada y una respuesta multiferroica con posibles aplicaciones prácticas. El empleo de estos dopantes tiene su origen en los numerosos inconvenientes que el BiFeO3 exhibe y que dificultan su empleo como material multiferroico. Para empezar, su obtención suele ir acompañada de pequeñas cantidades de fases secundarias parásitas. Además, hasta la fecha, la respuesta eléctrica del BiFeO3 presenta muchos inconvenientes, como una baja polarización remanente, un alto campo coercitivo, una baja permitividad (constante dieléctrica) o unos bajos coeficientes piezoeléctricos. En cuanto a la respuesta magnética, esta presenta un antiferromagnetismo intrínseco dada la superestructura de cicloide de spin que anula el momento magnético neto del material, pero esta superestructura puede truncarse dando lugar a un comportamiento ferrimagnético. El uso de dopantes como el Sm3+ o el Nd3+ que sustituyan al Bi3+ en las posiciones A de la red cristalina tipo perovskita del BiFeO3 puede paliar estos inconvenientes, impidiendo la formación de fases secundarias y mejorando la respuesta eléctrica y magnética del material. Sin embargo, el mayor problema que exhibe el BiFeO3 es la elevada corriente de fugas, que hace imposible su polarización y por tanto impide su uso como material ferroeléctrico. Se ha observado cómo el dopado con cationes donadores como el Ti4+ disminuye la conductividad debido a que modifica la microestructura del BiFeO3. Se podría por tanto obtener el material libre de fases secundarias y con buena respuesta multiferroica mediante el dopado con Sm3+ o Nd3+, siempre que éste se incorpore junto al Ti4+ para que reduzca la conductividad del sistema.
Su obtención en forma de lámina delgada despierta un elevado interés desde el punto de vista de las aplicaciones, ya que la miniaturización de estos materiales es un aspecto esencial por su facilidad para ser integrados en circuitos microelectrónicos. Hasta la fecha, técnicas evaporativas como el sputtering, PLD, MBE o CVD han sido ampliamente utilizadas para la obtención de láminas delgadas de BiFeO3 con más o menos éxito. Sin embargo, todas ellas implican un alto consumo energético en términos de presión y temperatura, puesto que requieren condiciones de alto vacío y elevadas temperaturas, así como un elevado coste económico al tratarse de técnicas altamente sofisticadas. Es por todo ello por lo que se considera necesaria la búsqueda de métodos sostenibles
El trabajo expuesto se divide en dos grandes bloques. En el primero de ellos se estudian las posibles interacciones entre los cationes dopantes que se introducen en el sistema, así como la evolución microestructural durante la síntesis y la posterior consolidación de materiales densos obtenidos en volumen por el método de estado sólido. Este estudio permite entender el material y la complejidad del sistema con vistas a la obtención de láminas delgadas de igual composición en el segundo bloque. Dichas láminas se obtienen por un método sostenible desde un punto de vista energético y económico que comprende una etapa inicial de síntesis por un método sol-gel en medio acuoso y una posterior deposición por spin-coating (deposición por centrifugación). Seguidamente se lleva a cabo un estudio microestructural y morfológico de las láminas obtenidas con el que se confirma la viabilidad del método y se procede a la caracterización de la respuesta eléctrica y magnética.

Calificación: Sobresaliente Cum Laude

Miembros del Tribunal:

Presidente: José de Frutos Vaquerizo (ETSI de Telecomunicación (Universidad Politécnica de Madrid).
Secretaria: María del Coral Duro Carralero (ETSI de Telecomunicación (Universidad Politécnica de Madrid).
Vocales:
-Emilio Morán Miguélez (ETSI de Telecomunicación (Universidad Politécnica de Madrid).
-Jesús González Julián (Institute of Energy and Climate Research-Germany).
-David González Calatayud (Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC).
Suplentes:
-Amador Caballero Cuesta (Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC).
-Alejandro Várez Álvarez (Universidad Carlos III de Madrid).