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Síntesis, microestructura y propiedades de materiales multiferroicos basados en BiFeO3

 

Mara Bernardo Sacristán
Universidad Autónoma de Madrid, 23 Julio 2013

 

Directores:
Dr. Amador Caballero Cuesta
Dra. Teresa Jardiel Rivas


Los materiales multiferroicos presentan un elevado potencial de aplicación en el campo de la electrónica. Una de sus aplicaciones que más interés ha despertado es su potencial para poder fabricar memorias que combinen las ventajas de las memorias magnéticas con las de las memorias ferroeléctricas. La ferrita de bismuto, BiFeO3, es uno de los materiales multiferroicos más prometedores y estudiado en los últimos años. El elevado interés por este material reside en sus elevadas temperaturas de transición de fase (TNéeel = 370 ºC; TCurie = 873 ºC) pues es el único material conocido hasta la fecha quepodría ser usado como multiferroico a temperatura ambiente. Sin embargo, su elevada conductividad eléctrica y/o una posible respuesta antiferromagnética impiden por el momento su empleo en dispositivos comerciales. Es más, la posibilidad de sintetizar materiales de BiFeO3monofásicos todavía es fuente de discusión en la bibliografía especializada. Los intentos de obtención de la fase BiFeO3 mediante el método estándar de mezcla de óxidos resultan habitualmente en productos multifásicos donde la fase BiFeO3 aparece acompañada de pequeñas cantidades de fases parásitas. La reacción de formación de la fase BiFeO3 compite con la reacción de formación de la fase parásita Bi2Fe4O9 y en el entorno de 800 ºC la fase BiFeO3 puede dejar de ser estable y empezar a descomponer. Este comportamiento se ve además afectado en el caso de la preparación de materiales dopados. En vista de estas dificultades, en la bibliografía se han propuesto diferentes métodos de síntesis alternativos, sin embargo no existe un acuerdo general acerca de cómo obtener esta fase libre de subproductos. En el origen de este problema está el desconocimiento que existe en cuanto a los mecanismos de reacción involucrados en la formación de las diferentes fases secundarias existentes en el sistema. Cabe decir de hecho, que ni siquiera existe un acuerdo sobre la naturaleza del diagrama de fases binario Bi2O3-Fe2O3. La dificultad para controlar las fases parásitas del sistema se propaga a la etapa de consolidación del material. El tratamiento térmico necesario para la densificación del material propicia la evolución de las fases presentes en el sistema y puede hacer que se pierda el control de la microestructura. En este punto es necesario determinar cuidadosamente los parámetros del tratamiento de sinterización, en particular el rango de temperaturas y tiempos, para evitar fenómenos de descomposición de la fase ferrita. Por otro lado el uso de cationes dopantes, incorporados como modificadores de la respuesta eléctrica y magnética, puede permitir también el control de la microestructura balanceando los fenómenos de difusión y por tanto el crecimiento cristalino. La respuesta electromagnética del material final será consecuencia de su microestructura.

El trabajo expuesto en la presente memoria de tesis se plantea en dos grandes bloques. En primer lugar se estudian diferentes métodos de síntesis del compuesto BiFeO3 con el objeto de eliminar o minimizar la presencia de fases secundarias persistentes. El origen y naturaleza de estas fases es todavía objeto de discusión en la bibliografía, si bien se sabe que tienen un efecto negativo sobre las propiedades finales del material. También se aborda la síntesis de BiFeO3 dopado con cationes donores como Ti4+, Nb5+ y W6+ seleccionando el método de síntesis más adecuado en cada caso para minimizar la presencia de fases parásitas. En el segundo bloque, se procede al estudio de su densificación y evolución de la microestructura sobre los materiales sintetizados con mejores características. En aquellos materiales densos y con microestructura controlada se procede a la caracterización de su respuesta eléctrica y magnética en relación con las características micro(nano)estructurales de los materiales.

Calificación: Apto Cum Laude

 

Tribunal:

Prof. Dr. David Tudela, Universidad Autónoma de Madrid.

Dra. Begoña Ferrari, Instituto de Cerámica y Vidrio, CSIC.

Prof. Dr. Emilio Morán, Universidad Complutense de Madrid

Dra. Mayte Caldes, Institut des Matériaux Jean Rouxel -CNRS, Francia.

Dr. Marco Peiteado, Universidad Politécnica de Madrid.