Síntesis y procesado avanzados de los nuevos sistemas y1-xbixmno3 y y1-xbixmn1-xfexo3 diseñados para presentar multiferroicidad: estudio estructural y de las propiedades eléctricas y magnéticas
- Autores: José Ángel Quintana Cilleruelo
- Directores de la Tesis: Alicia Castro Lozano (dir. tes.), Miguel Algueró Giménez (codir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Internacional Menéndez Pelayo (UIMP) ( España ) en 2020
- Idioma: español
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
La memoria de esta Tesis Doctoral describe por primera vez la síntesis de dos sistemas binarios completos con fórmulas generales Y1-xBixMn1-xFexO3 (YMnO3 – BiFeO3; YMBF) y Y1-xBixMnO3 (YMnO3 – BiMnO3; YMBM) por un método mecanoquímico, así como su optimización utilizando dos molinos planetarios de distintas características. La elección de la mecanosíntesis resultó ser inevitable y exitosa, pudiéndose obtener por primera vez todas las fases estudiadas de ambos sistemas. Los procesos mecanoquímicos fueron optimizados y se llevó a cabo un estudio preliminar del escalado de mecanosíntesis para trasladarla a molinos con mayor potencia y versatilidad, que permitieron duplicar la cantidad de material obtenido, así como reducir drásticamente los tiempos de molienda a menos de la mitad del tiempo inicial requerido.
Los materiales obtenidos fueron caracterizados estructuralmente por medio de técnicas tales como difracción de rayos X y neutrones y espectroscopia Raman, en el caso de su estructura cristalina, o de microscopía electrónica de barrido (SEM) para la caracterización de su morfología. En el caso del sistema YMBM, este estudio reveló la existencia de una solución sólida continua en todo el rango de composiciones del sistema, en el que todas las fases tratadas térmicamente fueron identificadas como ortorrómbicas. Con respecto al sistema Y1-xBixMn1-xFexO3, la caracterización estructural permitió describir dos soluciones sólidas, una con estructura ortorrómbica (composiciones con 0 ≤ x ≤ 0.9) y otra con estructura romboédrica (composiciones con 0.5 ≤ x ≤ 1).
El siguiente paso en la investigación llevada a cabo fue el procesado cerámico de las composiciones obtenidas, aplicando diversas técnicas, entre las cuales el Spark Plasma Sintering (SPS) fue la que presentó los resultados más satisfactorios. Se obtuvieron cerámicas de casi todas las composiciones pertenecientes al sistema YMBF, con unos valores de densificación por encima del 90% en todos los casos, y cercanos al 99% en su mayoría. La caracterización dieléctrica y ferroeléctrica de los materiales cerámicos obtenidos reveló una conductividad alta, asociada a la presencia de estados de valencia mixtos para los iones Mn y Fe, confirmados mediante XPS. La permitividad dieléctrica de las cerámicas mostró un máximo para las muestras YMBF 0.8 y 0.9 a 100 K, confirmando que la coexistencia de fases se corresponde con una frontera de fase morfotrópica, MPB. La caracterización ferroeléctrica a baja temperatura de las fases romboédricas y de la cerámica de YMBF 0.9 reveló una dependencia de la permitividad efectiva del material con el campo para todas las composiciones, característica observada en los materiales ferroeléctricos. Las temperaturas de transición ferroeléctrica, TC, fueron determinadas por medio de la combinación del análisis térmico diferencial (DTA) y el estudio de las propiedades mecanoelásticas (DMA) de las cerámicas, observándose un desplazamiento de sus valores a temperaturas menores, según aumenta la cantidad de Y y Mn en las composiciones. La espectroscopia Raman y la difracción de rayos X, ambas dependientes de la temperatura, confirmaron los cambios estructurales debidos a la ya localizada transición ferro-paraeléctrica.
Por último, las propiedades magnéticas de los polvos tratados térmicamente de ambos sistemas fueron estudiadas midiendo la variación de la magnetización con la temperatura por magnetometría SQUID. En el caso del sistema YMBM, se observó una transición desde un comportamiento antiferromagnético puro, correspondiente al YMnO3 ortorrómbico, a un estado de vidrio de espín, descrito para el BiMnO3 ortorrómbico, en las composiciones cercanas al YMnO3, para YMBM 0.1 y 0.2. En el caso del sistema YMBF, se ha observado una evolución continua hacia un estado antiferromagnético canteado primero, y hacia un estado ferromagnético con temperatura de Curie por encima de ambiente después, a lo largo de la solución sólida ortorrómbica. Las medidas magnéticas de las fases romboédricas y el YMBF 0.9 indicaron la desaparición de la estructura magnética cicloidal de BiFeO3 a partir de la composición YMBF 0.95.
El estudio de las características estructurales y fisicoquímicas de estos dos sistemas aporta valiosa información en la búsqueda de nuevos materiales multiferroicos magnetoeléctricos libres de plomo, susceptibles de ser aplicados en diferentes tecnologías. En concreto, para las composiciones pertenecientes al sistema Y1-xBixMn1-xFexO3 con x = 0.9 y 0.8 se espera una prometedora respuesta magnetoeléctrica funcional.
