El titanato de bario ( BTO ) es un compuesto inorgánico con fórmula química BaTiO 3 . El titanato de bario aparece blanco como un polvo y es transparente cuando se prepara en forma de cristales grandes. Es un material cerámico ferroeléctrico que exhibe el efecto fotorrefractivo y propiedades piezoeléctricas . Se utiliza en condensadores , transductores electromecánicos y ópticas no lineales .
BaTiO 3 policristalino en plástico | |
Identificadores | |
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Modelo 3D ( JSmol ) | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.031.783 |
Número CE |
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PubChem CID | |
Número RTECS |
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UNII | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
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Propiedades | |
BaTiO 3 | |
Masa molar | 233.192 g |
Apariencia | Cristales blancos |
Olor | Inodoro |
Densidad | 6,02 g / cm 3 , sólido |
Punto de fusion | 1.625 ° C (2.957 ° F; 1.898 K) |
Insoluble | |
Solubilidad | Ligeramente soluble en ácidos minerales diluidos; se disuelve en ácido fluorhídrico concentrado |
Brecha de banda | 3,2 eV (300 K, monocristal) [1] |
Índice de refracción ( n D ) | n o = 2,412; n e = 2,360 [2] |
Estructura | |
Tetragonal , tP5 | |
Grupo espacial | P4mm, No. 99 |
Peligros | |
Pictogramas GHS | |
Palabra de señal GHS | Advertencia |
Declaraciones de peligro GHS | H302 , H332 |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
Estructura
El sólido existe en uno de cuatro polimorfos dependiendo de la temperatura. De alta a baja temperatura, estas simetrías cristalinas de los cuatro polimorfos son de estructura cristalina cúbica , tetragonal , ortorrómbica y romboédrica . Todas estas fases exhiben el efecto ferroeléctrico además de la fase cúbica. La fase cúbica de alta temperatura es más fácil de describir, ya que consiste en unidades de TiO 6 octaédricas que comparten esquinas regulares que definen un cubo con vértices O y bordes Ti-O-Ti. En la fase cúbica, Ba 2+ está ubicado en el centro del cubo, con un número de coordinación nominal de 12. Las fases de simetría más baja se estabilizan a temperaturas más bajas e involucran el movimiento del Ti 4+ a posiciones descentradas. Las notables propiedades de este material surgen del comportamiento cooperativo de las distorsiones de Ti 4+ . [3]
Por encima del punto de fusión, el líquido tiene una estructura local notablemente diferente a las formas sólidas, con la mayoría de Ti 4+ coordinado con cuatro oxígeno, en unidades tetraédricas de TiO 4 , que coexisten con unidades más altamente coordinadas. [4]
Propiedades de producción y manipulación
El titanato de bario se puede sintetizar mediante el método sol-hidrotermal relativamente simple . [5] El titanato de bario también se puede fabricar calentando carbonato de bario y dióxido de titanio . La reacción prosigue mediante sinterización en fase líquida . Los monocristales se pueden cultivar a alrededor de 1100 ° C a partir de fluoruro de potasio fundido . [6] A menudo se agregan otros materiales como dopantes , por ejemplo, Sr para formar soluciones sólidas con titanato de estroncio . Reacciona con el tricloruro de nitrógeno y produce una mezcla verdosa o gris; las propiedades ferroeléctricas de la mezcla todavía están presentes en esta forma.
Se ha dedicado mucho esfuerzo al estudio de la relación entre la morfología de las partículas y sus propiedades. El titanato de bario es uno de los pocos compuestos cerámicos que se sabe que exhibe un crecimiento anormal del grano , en el que los granos grandes facetados crecen en una matriz de granos más finos, con profundas implicaciones en la densificación y las propiedades físicas. [7] El titanato de bario nanocristalino totalmente denso tiene un 40% más de permitividad que el mismo material preparado de forma clásica. [8] Se ha demostrado que la adición de inclusiones de titanato de bario al estaño produce un material a granel con una rigidez viscoelástica más alta que la de los diamantes. El titanato de bario pasa por dos transiciones de fase que cambian la forma y el volumen del cristal. Este cambio de fase conduce a compuestos donde los titanatos de bario tienen un módulo de volumen negativo (módulo de Young ), lo que significa que cuando una fuerza actúa sobre las inclusiones, hay un desplazamiento en la dirección opuesta, endureciendo aún más el compuesto. [9]
Como muchos óxidos , el titanato de bario es insoluble en agua pero es atacado por el ácido sulfúrico . Su banda prohibida a temperatura ambiente es de 3,2 eV, pero aumenta a ~ 3,5 eV cuando el tamaño de partícula se reduce de aproximadamente 15 a 7 nm. [1]
Usos
El titanato de bario es una cerámica dieléctrica utilizada en condensadores , con valores de constante dieléctrica de hasta 7.000. En un rango de temperatura estrecho, son posibles valores tan altos como 15.000; Los materiales cerámicos y poliméricos más comunes son menos de 10, mientras que otros, como el dióxido de titanio (TiO 2 ), tienen valores entre 20 y 70. [11]
Es un material piezoeléctrico utilizado en micrófonos y otros transductores . La polarización espontánea de los monocristales de titanato de bario a temperatura ambiente oscila entre 0,15 C / m 2 en estudios anteriores, [12] y 0,26 C / m 2 en publicaciones más recientes, [13] y su temperatura de Curie está entre 120 y 130 ° C. . Las diferencias están relacionadas con la técnica de crecimiento, siendo los cristales crecidos con flujo anterior menos puros que los cristales actuales crecidos con el proceso de Czochralski , [14] que, por lo tanto, tienen una polarización espontánea más grande y una temperatura de Curie más alta.
Como material piezoeléctrico , ha sido reemplazado en gran medida por titanato de circonato de plomo , también conocido como PZT. El titanato de bario policristalino tiene un coeficiente de temperatura de resistencia positivo , lo que lo convierte en un material útil para termistores y sistemas de calefacción eléctrica autorreguladores.
Los cristales de titanato de bario se utilizan en la óptica no lineal . El material tiene una alta ganancia de acoplamiento de haz y se puede operar en longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. Tiene la reflectividad más alta de los materiales usados para aplicaciones de conjugación de fase auto-bombeada (SPPC). Se puede utilizar para la mezcla de cuatro ondas de onda continua con potencia óptica de rango de milivatios. Para aplicaciones fotorrefractivas, el titanato de bario puede doparse con varios otros elementos, por ejemplo, hierro . [15]
Las películas delgadas de titanato de bario muestran modulación electroóptica a frecuencias superiores a 40 GHz. [dieciséis]
Las propiedades piroeléctricas y ferroeléctricas del titanato de bario se utilizan en algunos tipos de sensores no refrigerados para cámaras térmicas .
Se informa que el polvo de titanato de bario de alta pureza es un componente clave de los nuevos sistemas de almacenamiento de energía de condensadores de titanato de bario para su uso en vehículos eléctricos. [17]
Debido a su elevada biocompatibilidad , las nanopartículas de titanato de bario (BTNP) se han empleado recientemente como nanoportadores para la administración de fármacos . [18]
Se ha informado del efecto magnetoeléctrico de fuerzas gigantes en películas delgadas cultivadas sobre sustratos de titanato de bario. [19] [20]
Ocurrencia natural
La barioperovskita es un análogo natural muy raro de BaTiO 3 , que se encuentra como microinclusiones en la benitoita . [21]
Ver también
- Titanato de estroncio
- Titanato de circonato de plomo
Referencias
- ^ a b Suzuki, Keigo; Kijima, Kazunori (2005). "Separación de banda óptica de nanopartículas de titanato de bario preparadas por deposición de vapor químico de plasma RF". Jpn. J. Appl. Phys . 44 (4A): 2081-2082. Código Bibliográfico : 2005JaJAP..44.2081S . doi : 10.1143 / JJAP.44.2081 .
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enlaces externos
- Compatibilidad con nanopartículas: la nueva técnica de procesamiento de nanocompuestos crea condensadores más potentes
- Baterías de condensadores de "carga instantánea" de EEStor