Estrategias de mejora de las propiedades funcionales del K(0,5)Na(0,5)NbO(3)

Abstract

Los materiales piezoeléctricos más utilizados en una gran cantidad de aplicaciones son las cerámicas basadas en el titanato circonato de plomo (PZT). No obstante, el principal inconveniente de estos materiales recae en la elevada toxicidad del plomo y los problemas ambientales y de salud que provoca. Así, la comunidad científica se centra en la búsqueda de nuevos materiales piezoeléctricos libres de plomo.

La familia de materiales libres de plomo basados en el niobiato de sodio y potasio (KNN) presenta unas propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas prometedoras. Este tipo de materiales son conocidos desde los años 1960, pero para poder utilizarlos industrialmente es necesario superar algunas dificultades, sobre todo, durante la síntesis y la sinterización. No obstante, se han logrado preparar cerámicas basadas en el KNN de alta calidad mediante la utilización de métodos de preparación complejos como el prensado en caliente o mediante Spark Plasma Sintering.

Recientemente, el interés por los materiales libres de plomo aumentó notablemente a raíz de las excelentes propiedades piezoeléctricas de las cerámicas basadas en el KNN dopadas con Li, Ta y Sb. Este sistema complejo despertó un elevado interés en la comunidad científica, ya que podría abrir una nueva vía para substituir los materiales piezoeléctricos basados en plomo. No obstante, es importante destacar que sólo se han estudiado un número limitado de dopantes que pueden influir en las propiedades funcionales de los materiales y, frecuentemente, los resultados obtenidos por distintos grupos de investigación son contradictorios. Por lo tanto, es necesario seguir investigando el efecto de distintos dopantes en las cerámicas de KNN. Asimismo, se debería tener en cuenta la toxicidad de los elementos introducidos en las cerámicas de KNN, sobre todo, cuando se encuentran en elevadas concentraciones, como por ejemplo, el litio, tántalo, antimonio o cobre.

Por lo tanto, el principal objetivo de esta tesis doctoral es investigar diferentes estrategias para desarrollar nuevos sistemas sencillos basados en el KNN. En este trabajo se han estudiado y optimizado la preparación de cerámicas basadas en el KNN mediante métodos de síntesis que facilitan la obtención de cerámicas densas, estos métodos son, además, reproducibles y escalables a nivel industrial. En concreto, tanto el tamaño de partícula como la distribución del tamaño de partícula se han controlado en cada etapa de la síntesis, así, se ha logrado disminuir la temperatura de síntesis entre 100 ºC y 200 ºC, respecto a las temperaturas empleadas habitualmente en la preparación de cerámicas basadas en el KNN. Las densidades relativas de las cerámicas obtenidas son superiores al 96 %.

Se ha estudiado, también, el efecto de dopajes de tipo dador y de tipo aceptor, evaluando tanto el efecto de diferentes dopantes como su concentración. Mediante el dopaje se han mejorado tanto las propiedades dieléctricas como las propiedades piezoeléctricas de las cerámicas preparadas. Se ha observado un incremento del 45% del coeficiente piezoeléctrico d33 respecto al KNN puro para bajas concentraciones de dopante.

Las propiedades piezoeléctricas del sistema dopado con Li, Ta y Sb son comparables a las propiedades que presentan las cerámicas basadas en el PZT. Sin embargo, sus pérdidas dieléctricas y mecánicas son demasiado elevadas para poder utilizar éstas cerámicas en dispositivos de potencia. En este sentido, se han logrado disminuir las pérdidas dieléctricas y mecánicas modificando las condiciones de sinterización, así, las cerámicas sinterizadas bajo atmósfera inerte son más estables que las sinterizadas bajo aire. Finalmente, mediante un control exhaustivo de la estequiometría y la estabilidad de las soluciones precursoras, entre otros parámetros, se han podido preparar capas delgadas basadas en el KNN. Se ha logrado desarrollar un método de preparación de capas delgadas altamente orientadas de una manera reproducible y escalable industrialmente. Además, se ha podido confirmar la relación entre el grado de orientación de la capa y sus propiedades.

Presently, the family of lead-free ceramics showing the most promising piezoelectric and ferroelectric properties is based on potassium and sodium niobate (KNN). The use of this type of ceramic presents a number of challenges, especially during the synthesis, and sintering.

The interest of lead-free ceramics increased markedly when Li, Ta and Sb dopants greatly improved the piezoelectric properties of KNN ceramics. Modified KNN compositions promise to be a new generation of environmentally safer piezoelectric materials.Thus, it is necessary to continue investigating the effect of dopants in KNN ceramics. Furthermore, the toxicity of the different elements used should be considered, mainly when high concentrations of new elements (e.g. lithium, tantalum, antimony, copper) are substituted in KNN ceramics.

The principal goal of this thesis is to explore different strategies to develop new and simple systems based on KNN ceramics. The processing of pure and modified KNN ceramics has been studied and optimized so that the reproducibility and scalability of the synthesis methods can be controlled, which facilitates the creation of high density ceramics using normal processing methods. In particular, the particle grain size and particle size distribution have been controlled for all synthesis steps, as a consequence, the synthesis temperature has been reduced by 100 ºC - 200 ºC. The densities of the so-obtained ceramics are higher than 96% for all single phase ceramics.

The effect of donor and acceptor dopants has been studied, focusing on the effect of different dopant and of their concentration. The dielectric and functional properties of the KNN based ceramics have been improved when doping. Even by low amounts of dopants the piezoelectric coefficient can be increased by 45% with respect to pure KNN.

Although the piezoelectric properties of complex KNN based systems are comparable to those of PZT based ceramics, their dielectric and mechanical losses at room temperature are too high for them to be used in power devices. Consequently, the dielectric and mechanical losses have been improved by modifying the sintering conditions; ceramics sintered in an inert atmosphere are more stable than those sintered in air.

Finally, the processing of sodium potassium niobate based thin films has been successfully achieved by controlling the stoichiometry, the stability of the precursor solutions, and so on. Consequently, a reproducible and scalable method has been developed to obtain highly oriented KNN based thin films. Moreover, the relationship between the orientation degree and the properties is confirmed in this thesis.