EFECTO DE LA SUBSTITUCIÓN DE Nb5+ SOBRE LA ESTRUCTURA CRISTALINA DEL BaTiO3 MEDIANTE ANÁLISIS RIETVELD I.A. LIRA-HERNÁNDEZ, 1F. R. BARRIENTOS-HERNÁNDEZ1, M. PÉREZ –LABRA2 1. Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo. Área Académica de Ciencias de la Tierra y Materiales. Carretera Pachuca –Tulancingo Km. 4.5, C.P.42184. Pachuca Hidalgo. México. email:ivanlira04@hotmail.com 2. Instituto Politécnico Nacional, Departamento de Ingeniería en Metalurgia y Materiales, U.P. Adolfo López Mateos, Zacatenco, D.F., C.P. 07738, México. RESUMEN El BaTiO3 es el principal cerámico piezoeléctrico comercial; fue descubierto de manera independiente por investigadores en Estados Unidos, Japón y Rusia. Hoy en día es usado en la fabricación de dispositivos electrónicos para muchas aplicaciones incluyendo termistores, actuadores, sensores y transductores. El BaTiO3 es popular no solamente por sus propiedades dieléctricas, ferroeléctricas y piezoeléctricas, sino también por su estabilidad mecánica como química. El titanato de bario rara vez se utiliza puro. Comúnmente se agregan pequeñas proporciones de otros elementos llamados dopantes lo que, en algunos casos, ocasiona cambios en la estructura cristalina y a su vez estos modifican las propiedades eléctricas. El objetivo de este trabajo es estudiar el efecto del dopaje con Nb5+ sobre la estructura cristalina a partir del mecanismo de vacancias de Ti (BaTi1-5XNb4XO3), con diferentes niveles de dopaje (x= 0.1, 0.3, 0.5, 1.0) preparadas mediante la ruta del estado sólido. Los polvos precursores utilizados fueron: Nb 2O5, BaCO3, TiO2 y BaTiO3. Los análisis de refinamiento Rietveld se llevaron a cabo mediante el software MAUD. Palabras clave: Titanato de Bario, Estructura Cristalina, Parámetros de Red, Análisis Rietveld. EFFECT OF NB5+ SUBSTITUTION ON CRYSTAL STRUCTURE OF BARIUM TITANATE WITH RIETVELD ANALYSIS ABSTRACT BaTiO3, the main piezoelectric ceramic commercial, was discovered independently by researchers in the United States, Japan and Russia. Today it is used in the fabrication of electronics devices for many applications, including thermistors, actuators, sensors and transducers. BaTiO3 is popular not only for their dielectric, ferroelectrics and piezoelectric properties, but also for their mechanical and chemical stability. The barium titanate is rarely used pure; commonly small amounts of others elements called dopants are added, which in some cases cause changes in the crystal structure and even modify the electrical properties. The aim of this research is to study the effect of the doping the crystal structure with Nb5+ using the Ti vacancies mechanism (BaTi1-5XNb4XO3), with different doping levels (x= 0.1, 0.3, 0.5, 1.0), prepared by the solid state route. The precursor powders employed were Nb2O5, BaCO3, TiO2 and BaTiO3. A Rietveld analysis was carried out using the MAUD software. Keywords: Barium Titanate, Crystal structure, lattice parameters, Rietveld Analysis INTRODUCCIÓN El BaTiO3 es popular no solamente por sus propiedades dieléctricas, ferroeléctricas y piezoeléctricas, sino también por su estabilidad mecánica como química. El titanato de bario rara vez se utiliza puro. Comúnmente se agregan pequeñas proporciones de otros elementos llamados dopantes lo que, en algunos casos, ocasiona cambios en la estructura cristalina y hasta modifica las propiedades eléctricas. El titanato de bario es el cerámico ferroélectrico mas ampliamente estudiado con estructura cristalina perovskita (ABO3). Es uno de los materiales más importantes usados en aplicaciones electrónicas y eléctricas. Actualmente el dopaje sobre titanato de bario a través de iones de tierras raras como Y, Nb, Ho, Dy han sido objeto de importantes investigaciones recientemente debido a la fabricación de capacitores, piezoeléctricos, dieléctricos, transductores, termisores y entre otros dispositivos electrónicos para diversas aplicaciones. Cuando los elementos dopantes (Tierras raras) son incorporados sobre el titanato de bario, hay dos tipos de substituciones de cationes por aceptor y donor. Cuando son reemplazados los sitios B es por aceptor y cuando es remplazado los sitios A es por donor. El efecto de los dopantes donores dentro del titanato de bario es uno de los aspectos menos comprendidos en la química de defectos de ese compuesto. En el caso de Nb5+ de acuerdo a lo reportado sustituye al Ti4+. Los parámetros más importantes para determinar el lugar de la sustitución de ocupación están en función del radio iónico y la carga efectiva. Lee y col. (2003) obtuvieron BaTiO3 tetragonal utilizando un precursor de citrato polimérico. La presencia de picos vibracionales de Raman indican la presencia de la asimetría en los octaedros TiO6 fue tomada en el sentido de que el BaTiO3 fue tetragonal. Sin embargo, esta medición no puede descartar completamente la presencia de fase cúbica, además del BaTiO3 tetragonal. Aparna y col. (2001) estudiaron el mecanismo de compensación de cargas en BaTiO3 dopado con La3+, el diagrama de fases resultante confirmó que el principal mecanismo de dopaje involucra la compensación iónica a través de la creación de vacancias de titanio. A partir de los datos de difracción de los polvos se realizaron los Refinamiento Rietveld mediante el software MAUD 2.058, la función de fondo para cada muestra fue con un coeficiente polinomial 5. Los principales parámetros que fueron refinados: fase básica, microestructura, la estructura cristalina y todos los demás valores que se generan. Los patrones de difracción de polvo ICSD se obtuvieron de la base de datos FINDIT y los ICDD de la base de datos PDF-2 del software Match. El objetivo de este trabajo de investigación fue estudiar la relación entre diversas concentraciones de niobio para determinar la estructura cristalina después de la variación de Nb2O5 por reacción en estado sólido. Además de poder corroborar si efectivamente los iones de titanio son reemplazados dentro de la red, todo lo anterior a partir de los valores que son obtenidos mediante el Refinamiento Rietveld. MATERIALES Y METODOS Los reactivos utilizados fueron BaTiO3 (Merck EINECS No. 234-975-0 99.90%), BaCO3 (Sigma-Aldrich cas No. 513-77-9 99.0%), TiO2 (SigmaAldrich cas No. 1317-80-2 99.99%) y Nb2O5 (Sigma-Aldrich cas No. 131396-8 99.99%). Los polvos se secaron en una estufa tipo mufla durante 24 horas a 200 °C, a excepción del Nb2O5 el cual se seco a 900 °C durante 24 horas en un horno de alta temperatura con la finalidad de eliminar totalmente la humedad. Posterior al secado, los polvos se pesaron en las cantidades correspondientes hasta obtener 6 gramos de polvo; moliéndose durante tres horas en recipientes de PET con acetona grado analítico, y como medio molturador bola de alúmina. Después de molidos los polvos se secaron y decarbonataron a 1000 °C durante 5 horas; y se calcinaron en un horno de alta temperatura Thermolyne 46200 con elementos de superkanthal en aire a diferentes temperaturas hasta un máximo de 1500°C con velocidades de calentamiento y enfriamiento de 5°C/min respectivamente manteniendo la temperatura deseada por cinco horas. Los polvos se caracterizaron a temperatura ambiente usando un Difractómetro de enfoque Bruker D8 con un rango de 2ᶿ de 20-90° con incrementos de 0.04° y un ángulo de incidencia 5. Una tarjeta Kα de cobre (λ = 1.5418 Å) se utilizó. El Refinamiento Rietveld se realizó en todos los patrones de rayos X utilizando el software MAUD para determinar la estructura cristalina y parámetros de red como una función del nivel de dopado. En el presente trabajo, los análisis de difracción de los polvos a través de rayos X se han adaptado paso a paso para el análisis de refinamiento mediante Rietveld para obtener los refinamientos estructurales y parámetros microestructurales (tamaño de cristalita y el esfuerzo de la red r.m.s) de las muestras preparadas por la ruta del estado sólido. El software de MAUD está especialmente diseñado para refinar al mismo tiempo tanto los parámetros estructurales y microestructurales a través de un método de mínimos cuadrados. La forma de los picos se supone como una función asimétrica pseudo-Voigt. El fondo de cada modelo se ajustó por una función polinómica de grado 5. RESULTADOS Y DISCUSIONES En la Figura 1 se muestran los patrones de difracción de rayos X desde x= 0.1 a x=1.0 sinterizados a 1500°C durante cinco horas en el aire, los difractogramas con x = 0.1 x = 0.3 muestran dos picos en 2 = 44.83, 44.71 y 2 = 45.25, 45.13 respectivamente correspondientes al BaTiO 3 tetragonal, de acuerdo con la tarjeta JCPDS 050626, mientras que las muestras por encima de 0.3 se observaron picos característicos en BaTiO3 cúbicos de acuerdo con JCPDS tarjeta 310174. Cubic (100) (111) (110) Tetragonal (200) (210) (211) (220) x=1.0 Cubic x=0.5 Cubic (101) (111) (001) (002) (112) (211) (200) (202) (102) (201) Tetragonal x=0.3 Tetragonal x=0.1 20 30 40 50 60 70 2 (Degree) Figura 1. Difracción de rayos X de los polvos preparados a diferentes niveles de dopaje (x=0.1, 0.3, 0.5 y 1.0 porcentaje en peso de Nb) Los Análisis por refinamiento Rietveld para diferentes concentraciones de niobio se muestran las Figuras 2 y 3. Los datos experimentales se indican con puntos en estas figuras, y los patrones refinados fueron representados por la línea continua en los mismos ejes. La diferencia entre los datos experimentales y el patrón de refinado se muestra por la línea continua inferior. Las marcas indican las posiciones de las reflexiones de Bragg. Los resultados ayudan a confirmar que la única fase presente después de la reacción de sinterización es titanato de bario dopado con niobio con diferente nivel de dopaje. Con una estructura cristalina tetragonal para x = 0.1 y x = 0.3 y con una estructura cristalina cúbica por encima de x = 0.3 en porcentaje en peso de Nb. La Difracción derivada a partir de precursores no incorporados a la red no se ve. Figura 2. Refinamiento Rietveld a partir de los patrones de difracción de rayos X para la muestra x=0.1 con estructura cristalina tetragonal. Figura 3. Refinamiento Rietveld a partir de los patrones de difracción de rayos X para la muestra x=0.5 con estructura cristalina cúbica. Después de un refinamiento exitoso de los datos de difracción, todos los parámetros obtenidos como, parámetros de red, el tamaño cristalino, RMS, micro deformación y otros valores se muestran en la Tabla I. Muestras con x=0.1 a 1.0. En el parámetro de red a se observaron variaciones con relación al incremento del contenido Nb5+. Pequeñas modificaciones en los parámetros de red se observaron cuando Nb5+ se introdujo a la estructura del BaTiO3 por la vía del estado sólido, sin embargo, los parámetros del volumen de celda de la estructura presentaron un aumento considerable en el mismo orden de magnitud como se aprecia en la Figura 4; además, se cambió la estructura de la celda unitaria de tetragonal a cúbica a partir de x = 0.5. Tabla I. Parámetros microestructurales de los polvos de las muestras por el método del refinamiento Rietveld. REFINED PARAMETERS Rwp Rp Rwpb Rpb Sig Rw x=0.1 % weight Nb 0.0699 0.0477 0.0971 0.0727 0.8234 6.987 x=0.3 % weight Nb 0.0277 0.0158 0.0567 0.0324 0.6464 2.7736 x=0.5 % weight Nb 0.0103 0.006 0.02 0.014 0.3814 1.03 x=1.0 % weight Nb 0.0107 0.007 0.04 0.017 0.4117 1.07 CRYSTALLITE SIZE LATTICE PARAMETERS (Angstrom) R.M.S. SAMPLE CELL VOLUME (°A) CELL VOLUME (nm) (Dv, angstrom) MICROSTRAIN a b c c/a x=0.1 % weight Nb 3.8292 3.8292 3.8652 1.0094 56.67454881 5.667454881 758.9153 0.0024061 x=0.3 % weight Nb 3.8313 3.8313 3.8689 1.00981 56.79104025 5.679104025 829.6918 0.0024412 x=0.5 % weight Nb 3.8447 3.8447 3.8447 1 56.83127154 5.683127154 827.4917 0.002341 x=1.0 % weight Nb 3.8457 3.8457 3.8457 1 56.87562823 5.687562823 824.7689 0.002234 SAMPLE 5.690 Cell Volume (nm) 5.685 5.680 5.675 5.670 5.665 x=0.1 x=0.3 x=0.5 x=1.0 Weight % Nb Figura 4. Cambios en el volumen de celda para diferentes niveles de dopaje de Nb en porcentaje en peso. La sustitución de Nb5+ en las posiciones originalmente ocupadas por Ti4+ cambian los parámetros de celda debido a los diferentes radios iónicos entre Nb5+. Esto hizo que la estructura cristalina sea distorsionada por la deformación volumétrica inducida por el niobio sustituido en las posiciones de titanio. La estructura cristalina, el grupo espacial y el cálculo del parámetro c/a se muestran en la Tabla 1. En la Figura 5 se muestra el incremento del parámetro de red en función de x, además del cambio de estructura de la celda unitaria de tetragonal a cúbica. Los parámetros de red se calcularon a partir del refinamiento Rietveld de los datos de rayos X, discutidos anteriormente como se muestran en las Figuras 2 y 3. La magnitud creciente de los parámetros de red a partir del aumento de x, es debido al tamaño más grande del ion de niobio en comparación con el ión de titanio confirmando su sustitución. 3.848 3.846 a Lattice Parameter (angstrom) 3.844 3.842 3.840 3.838 3.836 3.834 3.832 3.830 3.828 x=0.1 x=0.3 x=0.5 x=1.0 Weight % Nb Figura 5. Parámetros de red donde el Nb sustituye sitios de Ti. El tamaño de cristalita a partir de dopaje de Nb sobre el BaTiO3 es de 758 angstroms cuando x=0.1 y hasta por encima de 800 en la medida que se aumenta el dopaje por lo que es muy superior en comparación con el tamaño del titanato de bario puro que es de 307, sin embargo en la medida que se incrementa el dopaje se disminuye, (Figura 6) mientras que en el caso del parámetro de red aumenta de 3,82 a 3,84 como resultado de la adición de niobio. Este resultado se puede atribuir al hecho de que Nb sustituye al Ti. 840 (angstrom) 830 CRYSTALLITE SIZE (Dv) 820 810 800 790 780 770 760 750 x=0.1 x=0.3 x=0.5 x=1.0 Weight % Nb Figura 6. Valores del tamaño de cristalita cambiando el contenido de Nb. La microdeformación (r.m.s.) mostrada en la Figura 7 es muy inferior en comparación con el cerámico de titanato de bario sin dopar. Los resultados confirmaron que la microdeformación de BaTi1-5XNb4XO3 disminuyó con el contenido de niobio al momento de dopar a partir de x=0.3, generando esfuerzos de tensión en la red. 0.00245 R.M.S. MICROSTRAIN 0.00240 0.00235 0.00230 0.00225 0.00220 x=0.1 x=0.3 x=0.5 x=1.0 Weight % Nb Figura 7. Valores de microdeformación rms variando el contenido (x) de Nb. CONCLUSIONES En este estudio, se comprobó que la sustitución de Nb5+ por Ti4+ se produjo durante la ruta de estado sólido, cambiado los parámetros de red como se evidencia por el cambio en el volumen de red. No obstante, la estructura tetragonal cambia a cúbica al momento de incrementar el nivel dopaje. La disminución de tamaño de cristalita como el aumento de Nb en el BaTiO3 y el aumento de los parámetros de red, implica una disminución en la deformación de la red. AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue apoyado financieramente por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACyT) de México. REFERENCIAS Lee D. W., Won J. H., Shim K. B., Low Temperature Synthesis of BaCeO3 Nano Powders by the Citrate Process; Materials Letters, 57(22-23), 33463351 (2003). Aparna M., Bhimasankaram T., Suryanarayana V. S., Prasad G., Kumar G. S., Effect of Lanthanum Doping on Electrical and Electromechanical Properties of Ba1-XLaXTiO3, Bull. Mate. Sci., 24(5), 497-504 (2001). Morrison F. D., Coats A. M., Sinclair D. C., West A. R., Charge Compensation Mechanisms in La-Doped BaTiO3, Journal of Electroceramics, 6, 219–232 (2001).