titanato de bario

_El titanato de bario ( BTO ) es un compuesto inorgánico con fórmula química BaTiO₃ . Es la sal de bario del ácido metatitánico . El titanato de bario se presenta como un polvo blanco y es transparente cuando se prepara en forma de cristales grandes. Es un material cerámico ferroeléctrico , piroeléctrico y piezoeléctrico que exhibe el efecto fotorrefractivo . Se utiliza en capacitores , transductores electromecánicos y óptica no lineal .

El desarrollo del titanato de bario como material dieléctrico fue motivado principalmente por la grave escasez de mica (anteriormente el material estándar para condensadores) durante el inicio de la Segunda Guerra Mundial. A medida que los bloqueos alemanes interrumpían las cadenas de suministro globales, se intensificaron los esfuerzos de investigación internacionales para identificar alternativas sintéticas con altas constantes dieléctricas. ^{[ 3 ]} En 1940, los Laboratorios de Investigación de Westinghouse exploraron la combinación de dióxido de titanio con óxidos de metales alcalinotérreos y demostraron que las constantes dieléctricas más altas podían lograrse utilizando óxido de bario combinado con rutilo , formando BaTiO ₃ . ^{[ 4 ]} Posteriormente, Arthur R. von Hippel demostró la conmutación ferroeléctrica en BaTiO ₃ en 1945. ^{[ 5 ]}

El sólido existe en uno de cuatro polimorfos dependiendo de la temperatura. De alta a baja temperatura, las simetrías cristalinas de estos cuatro polimorfos son cúbica , tetragonal , ortorrómbica y romboédrica . Todas estas fases exhiben el efecto ferroeléctrico, excepto la fase cúbica. La fase cúbica de alta temperatura es la más fácil de describir, ya que consiste en unidades octaédricas regulares de TiO₆ que comparten vértices _y definen un cubo con vértices de oxígeno y aristas Ti-O-Ti. En la fase cúbica, el Ba²⁺ ^se encuentra en el centro del cubo, con un número de coordinación nominal de 12. Las fases de menor simetría se estabilizan a temperaturas más bajas e implican el desplazamiento del Ti⁴⁺ ^a posiciones descentradas. Las notables propiedades de este material surgen del comportamiento cooperativo de las distorsiones del ^{Ti⁴⁺ . [ 6 ]}

Por encima del punto de fusión, el líquido tiene una estructura local notablemente diferente a la de las formas sólidas, con la mayoría de los Ti ⁴⁺ coordinados a cuatro oxígenos, en unidades tetraédricas de TiO ₄ , que coexisten con unidades más altamente coordinadas. ^{[ 7 ]}

El titanato de bario se puede sintetizar mediante el método sol-hidrotermal relativamente simple. ^{[ 8 ]} El titanato de bario también se puede fabricar calentando carbonato de bario y dióxido de titanio . La reacción procede mediante sinterización en fase líquida . Se pueden cultivar monocristales a unos 1100 °C a partir de fluoruro de potasio  fundido . ^{[ 9 ]} A menudo se añaden otros materiales como dopantes , por ejemplo, Sr para formar soluciones sólidas con titanato de estroncio . El titanato de bario reacciona con tricloruro de nitrógeno y produce una mezcla verdosa o gris; las propiedades ferroeléctricas de la mezcla siguen 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 conocidos por exhibir un crecimiento anormal de grano , en el que grandes granos facetados crecen en una matriz de granos más finos, con profundas implicaciones en la densificación y las propiedades físicas. ^{[ 10 ]} El titanato de bario nanocristalino completamente denso tiene una permitividad un 40 % mayor que el mismo material preparado por métodos clásicos. ^{[ 11 ]} Se ha demostrado que la adición de inclusiones de titanato de bario al estaño produce un material a granel con una rigidez viscoelástica mayor 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 compresibilidad negativo ( módulo de Young ), lo que significa que cuando una fuerza actúa sobre las inclusiones, hay un desplazamiento en la dirección opuesta, rigidizando aún más el compuesto. ^{[ 12 ]}

Al igual que muchos óxidos , el titanato de bario es insoluble en agua pero atacado por el ácido sulfúrico . También es soluble en ácido clorhídrico concentrado y ácido fluorhídrico . ^{[ 13 ]} 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 ]}

El titanato de bario es una cerámica dieléctrica utilizada en condensadores , con valores de constante dieléctrica de hasta 7000. En un rango de temperatura estrecho, se pueden alcanzar valores de hasta 15 000; la mayoría de los materiales cerámicos y poliméricos comunes tienen valores inferiores a 10, mientras que otros, como el dióxido de titanio (TiO₂ ₎ , tienen valores entre 20 y 70. ^{[ 15 ]} Se ha informado 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. ^{[ 16 ]}

Es un material piezoeléctrico utilizado en micrófonos y otros transductores , aunque ha sido reemplazado en gran medida por titanato de zirconato de plomo . La polarización espontánea de los monocristales de titanato de bario a temperatura ambiente varía entre 0,15  C/m² ^en estudios anteriores, ^{[ 17 ]} y 0,26  C/m² ^en publicaciones más recientes, ^{[ 18 ]} y su temperatura de Curie está entre 120 y 130  °C. Las diferencias están relacionadas con la técnica de crecimiento, ya que los cristales cultivados con fundente en el pasado eran menos puros que los cristales actuales cultivados con el proceso Czochralski , ^{[ 19 ]} que, por lo tanto, tienen una mayor polarización espontánea y una temperatura de Curie más alta.

Los cristales de titanato de bario se utilizan en óptica no lineal . Este material posee una alta ganancia de acoplamiento de haz y puede operar en longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas. Presenta la mayor reflectividad entre los materiales empleados en aplicaciones de conjugación de fase autobombeada (SPPC). Puede utilizarse para la mezcla de cuatro ondas de onda continua con potencia óptica en el rango de milivatios. Para aplicaciones fotorrefractivas, el titanato de bario puede doparse con diversos elementos, como el hierro . ^{[ 20 ]} Las películas delgadas de titanato de bario muestran modulación electroóptica a frecuencias superiores a 40  GHz. ^{[ 21 ]}

Las propiedades piroeléctricas y ferroeléctricas del titanato de bario se utilizan en algunos tipos de sensores sin refrigeración para cámaras térmicas .

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 autorregulables . Para estas aplicaciones, el titanato de bario se fabrica con dopantes para conferirle propiedades semiconductoras. Entre sus aplicaciones específicas se incluyen la protección contra sobrecorriente para motores, balastos para lámparas fluorescentes, calentadores de aire para cabinas de automóviles y calefactores domésticos. ^{[ 22 ] [ 23 ]}

Debido a su elevada biocompatibilidad , las nanopartículas de titanato de bario (BTNP) se han empleado recientemente como nanotransportadores para la administración de fármacos . ^{[ 24 ]}

Se han reportado efectos magnetoeléctricos de gran intensidad en películas delgadas cultivadas sobre sustratos de titanato de bario. ^{[ 25 ] [ 26 ]}

La barioperovskita es un análogo natural muy raro del BaTiO3 _, que se encuentra como microinclusiones en la benitoíta . ^{[ 27 ]}

• titanato de estroncio
• titanato de zirconato de plomo

• Compatibilidad con nanopartículas: una nueva técnica de procesamiento de nanocompuestos crea condensadores más potentes. Archivado el 8 de mayo de 2009 en Wayback Machine.
• Las baterías de condensador de "carga instantánea" de EEStor