Ferrita de bismuto
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La ferrita de bismuto (BiFeO 3 , también conocida como BFO en la ciencia de los materiales) es un compuesto químico inorgánico con estructura de perovskita y uno de losmateriales multiferroicos más prometedores. [1] La fase detemperatura ambientede BiFeO 3 se clasifica como romboédrica perteneciente al grupo espacial R3c. [2] [3] [4] Se sintetiza a granel y enforma de película delgada y tanto su antiferromagnético (orden de tipo G) Néel temperatura(aproximadamente 653 K) y la temperatura de Curie ferroeléctrica están muy por encima de la temperatura ambiente (aproximadamente 1100 K). [5] [6] La polarización ferroeléctrica ocurre a lo largo de la dirección pseudocúbica ( ) con una magnitud de 90–95 μC / cm 2 . [7] [8]

Preparación de la muestra

La ferrita de bismuto no es un mineral natural y se han desarrollado varias rutas de síntesis para obtener el compuesto.

Síntesis de estado sólido

En el método de reacción en estado sólido [9] se mezclan óxido de bismuto (Bi 2 O 3 ) y óxido de hierro (Fe 2 O 3 ) en una proporción molar de 1: 1 con un mortero o mediante molienda de bolas y luego se cuecen a temperaturas elevadas. La preparación de BiFeO 3 estequiométrico puro es un desafío debido a la volatilidad del bismuto durante la cocción, lo que conduce a la formación de Bi 25 FeO 39 (selenito) y Bi 2 Fe 4 O 9 secundarios estables.(mullita) fase. Por lo general, se usa una temperatura de cocción de 800 a 880 grados Celsius durante 5 a 60 minutos con un enfriamiento posterior rápido. El exceso de Bi 2 O 3 también se ha utilizado como medida para compensar la volatilidad del bismuto y evitar la formación de la fase Bi 2 Fe 4 O 9 .

Crecimiento de un solo cristal

La ferrita de bismuto se funde de manera incongruente, pero puede crecer a partir de un fundente rico en óxido de bismuto (por ejemplo, una mezcla 4: 1: 1 de Bi 2 O 3 , Fe 2 O 3 y B 2 O 3 a aproximadamente 750-800 Celsius). [2] Los monocristales de alta calidad han sido importantes para estudiar las propiedades ferroeléctricas, antiferromagnéticas y magnetoeléctricas de la ferrita de bismuto.

Rutas químicas

Se han utilizado rutas de síntesis química húmeda basadas en la química sol-gel , rutas de Pechini modificadas, [10 ] síntesis hidrotermal [11] y precipitación para preparar BiFeO 3 puro en fase . La ventaja de las rutas químicas es la homogeneidad composicional de los precursores y la reducción de la pérdida de bismuto debido a las temperaturas mucho más bajas necesarias. En las rutas sol-gel, un precursor amorfo se calcina a 300-600 Celsius para eliminar los residuos orgánicos y promover la cristalización de la fase de perovskita de ferrita de bismuto, mientras que la desventaja es que el polvo resultante debe sinterizarse.a alta temperatura para hacer un policristal denso .

La reacción de combustión en solución es un método de bajo costo utilizado para sintetizar BiFeO 3 poroso . En este método, se utiliza un agente reductor (como glicina, ácido cítrico, urea, etc.) y un agente oxidante (iones nitrato, ácido nítrico, etc.) para generar la reacción de reducción-oxidación (RedOx). El aspecto de la llama y, en consecuencia, la temperatura de la mezcla, depende de la relación de agentes oxidantes / reductores utilizada. [12] A veces se necesita recocido hasta 600 ° C para descomponer los oxonitratos de bismuto generados como productos intermedios. Dado el contenido de cationes Fe en este material semiconductor, la espectroscopía Mӧssbauer es una técnica adecuada para detectar la presencia de un componente paramagnético en la fase.

Peliculas delgadas

Las propiedades eléctricas y magnéticas de películas delgadas epitaxiales de ferrita de bismuto de alta calidad informadas en 2003 [1] revivieron el interés científico por la ferrita de bismuto. Las películas delgadas epitaxiales tienen la gran ventaja de que sus propiedades se pueden ajustar mediante el procesamiento [13] y de que se pueden integrar en circuitos electrónicos . La deformación epitaxial inducida por sustratos cristalinos individuales con diferentes parámetros de red que la ferrita de bismuto se puede utilizar para modificar la estructura cristalina a simetría monoclínica o tetragonal y cambiar las propiedades ferroeléctricas, piezoeléctricas o magnéticas. [14] pulsada deposición por láser (PLD) es una ruta muy común epitaxiales BiFeO 3 películas, y SrTiO 3 sustratos con SrRuO 3 electrodos se utilizan típicamente. Pulverización catódica , epitaxia de haz molecular (MBE), [15] de metal orgánico deposición de vapor químico (MOCVD), deposición de capa atómica (ALD), y la deposición de solución química son otros métodos para preparar epitaxial de bismuto ferrita películas delgadas. Aparte de sus propiedades magnéticas y eléctricas, la ferrita de bismuto también posee energía fotovoltaica propiedades que se conoce como efecto fotovoltaico ferroeléctrico (FPV).

Aplicaciones

Al ser un material multiferroico a temperatura ambiente y por su efecto ferroeléctrico fotovoltaico (FPV), la ferrita de bismuto tiene diversas aplicaciones en el campo del magnetismo , espintrónica , fotovoltaica , etc.

Fotovoltaica

En el efecto FPV, se genera una fotocorriente en un material ferroeléctrico bajo iluminación y su dirección depende de la polarización ferroeléctrica de ese material. El efecto FPV tiene un potencial prometedor como alternativa a los dispositivos fotovoltaicos convencionales. Pero el principal obstáculo es que se genera una fotocorriente muy pequeña en materiales ferroeléctricos como LiNbO 3 , [16] que se debe a su gran banda prohibida y baja conductividad. En esta dirección, la ferrita de bismuto ha mostrado un gran potencial debido a un gran efecto de fotocorriente y un voltaje de banda prohibida superior [17]Se observa en este material bajo iluminación. La mayoría de los trabajos que utilizan ferrita de bismuto como material fotovoltaico se han informado sobre su forma de película delgada, pero en algunos informes los investigadores han formado una estructura de dos capas con otros materiales como polímeros, grafeno y otros semiconductores. En un informe, se ha formado una heterounión de clavija con nanopartículas de ferrita de bismuto junto con dos capas transportadoras de portadores a base de óxido. [18] A pesar de estos esfuerzos, la eficiencia de conversión de energía obtenida de la ferrita de bismuto sigue siendo muy baja.

Referencias

  1. ^ a b Wang, J .; Neaton, B .; Zheng, H .; Nagarajan, V .; Ogale, SB; Liu, B .; Viehland, D .; Vaithyanathan, V .; Schlom, DG; Waghmare, UV; Spaldin, NA ; Rabe, KM ; Wuttig, M .; Ramesh, R. (14 de marzo de 2003). "Heteroestructuras epitaxiales de película fina multiferroica BiFeO3". Ciencia . 299 (5613): 1719-1722. Código Bibliográfico : 2003Sci ... 299.1719W . doi : 10.1126 / science.1080615 . PMID  12637741 . S2CID  4789558 .
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https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.05.106

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