Estudio de las propiedades eléctricas del sistema molibdato de lantano-erbio

Abstract

La ferroelectricidad es un fenómeno que cada vez suscita un mayor interés en el desarrollo de nuevas tecnologías, como la fabricación de transistores ferroeléctricos, condensadores, memorias no volátiles, dispositivos ópticos o dispositivos de recolección de energía. Entendemos por ferroelectricidad a la propiedad empírica que presentan algunos materiales cristalinos por la cual presentan una polarización espontánea en ausencia de campo eléctrico externo. Mediante la aplicación de éste, se puede conseguir que los dipolos del material se orienten en la dirección del campo, pudiendo alternar entre dos estados de polarización máxima mediante la variación del campo aplicado. La capacidad de alternancia entre dos estados posibles de polarización es especialmente útil en la fabricación de componentes lógicos. En el presente TFG se detalla el procedimiento seguido para sintetizar la fase β’ ferroeléctrica del molibdato de lantano-erbio por reacción en estado sólido, así como su caracterización eléctrica mediante distintos ensayos. Se sintetizaron primero por separado el molibdato de lantano (La2(MoO4)3) y el molibdato de erbio (Er2(MoO4)3) y se combinaron en distintas proporciones estequiométricas para obtener tres compuestos distintos del molibdato de lantano-erbio (La0.75Er1.25(MoO4)3, LaEr(MoO4)3 y La1.25Er0.75(MoO4)3) en forma de pastillas. Una vez obtenidos, se llevaron al Servicio General de Apoyo a la Investigación (SEGAI) de la universidad 3 muestras en polvo para comprobar la fase ferroeléctrica mediante la técnica de difracción de rayos X. Se confirmó la fase de los 3 compuestos comparando el difractograma obtenido con el patrón teórico de las bases de datos cristalográficas del Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC) y del Inorganic Crystal Structure Database (ICSD). Una vez confirmada la fase correcta para los 3 compuestos, se procedió a realizar los ensayos para su caracterización eléctrica, comenzando por la medida del ciclo de histéresis. Este ensayo consiste en someter la muestra en forma de pastilla a un campo eléctrico externo con distintas amplitudes y frecuencias a varias temperaturas y medir la polarización inducida en el material. Se obtienen los parámetros de polarización remanente, polarización de saturación, campo eléctrico coercitivo y área del ciclo. El siguiente ensayo realizado fue la espectroscopía de impedancias. Se somete a la muestra a un voltaje externo con amplitud fija y se hace un barrido en frecuencias, obteniendo una impedancia compleja para cada frecuencia. Esto se repite para distintas temperaturas y se realiza la medida en ascenso y en descenso de esta. De este ensayo obtenemos la permitividad dieléctrica del material y su conductividad eléctrica para las distintas frecuencias y temperaturas. En este análisis se observan las posibles transiciones de fase de los compuestos a ciertas temperaturas. Por último, se realizó un análisis térmogravimétrico (TG) y una calorimetría diferencial de barrido (DSC) que permite confirmar los cambios de fase observados anteriormente y complementen las medidas eléctricas. Asimismo, se esbozan las posibilidades de estos materiales atendiendo a su carácter de ferroeléctricos impropios, que los hace especialmente útiles para la recolección de energía haciendo uso del efecto piroeléctrico y para aplicaciones ópticas. Son excelentes materiales como medio activo para láseres de estado sólido y destaca su capacidad de recibir luz con una cierta frecuencia y emitir a su vez luz de frecuencia y energía mayores, lo que se conoce como “up-conversion”.

Ferroelectricity is a phenomenom that arouses more and more interest in new technologies development, such as ferroelectric transistors production, non volatile memories, capacitors, optical devices or energy harvesting devices. Ferroelectricity is the empirical property exhibit by some crystalline materials, by which these materials show a spontanous polarization in absence of an external electric field. By appliting this field, the dipoles of the cristal can be oriented in the same direction of the field. It is posible to make the polarization induced in the material alternate between two states of maximum and minimum polarization, which is very usefull to make logical components. In the present TFG it is detailed the process followed to synthesize the β’ ferroelectric phase of the lanthanum-erbium molybdate by solid state reaction, as well as the electric characterization through various trials. First of all, the lanthanum molybdate (La2(MoO4)3) and the erbium molybdate were synthesized separately. Then, they were combined in 3 different stoichiometric proportions to obtain the 3 compounds of the lanthanum-erbium molybdate: La0.75Er1.25(MoO4)3, LaEr(MoO4)3 y La1.25Er0.75(MoO4)3 in the form of pellets. Once they were obtained, 3 samples of each compound in the form of powder were taken to the Servicio General de Apoyo a la Investigación (SEGAI, General Service for Investigation Support), in order to confirm their ferroelectric phases by using the X-ray difraction technique. These phases were confirmed by compairing the diffractogramms obtained with the theorical patrons from the data bases Cambridge Crystallographic Data Centre (CCDC) and Inorganic Crystal Structure Database (ICSD). Once the correct phase has been confirmed for the 3 compounds, the trials for the electric characterization were conducted. The first one was the hysteresis loop measurement. This trial consists on subjecting the sample of each compound in the form of pellets to an external electric field of different amplitudes and frequencies at various temperaturas and measure the induced polarization in the material. Four distinct parameters are obtained: remanent polarization, saturation polarization, coercitive electric field and loop área. The next trial made was the impedance spectroscopy. The sample is subjected to an external voltage with a fixed amplitude and a frequency sweep is carried out, so a complex impedance is obtained for each frequency. This process is repeated for diferente temperaturas and the measurement is made with rising and falling temperature. From this trial the electric permitivity and conductivity are obtained for different frequencies and temperaturas In this análisis they are observed posible phase transitions at certain temperatures. Finally, it was made a thermogravimetric analysis (TG) and Differential Scanning Calorimetry (DSC) that confirms phase changes appreciated before and complement the electric measurements. Additionally, the possibilities of the materials are explained attending to their character of improper ferroelectric, which make them specially usefull for energy harvesting making use of the pyroelectric effect and for optical applications. They are excellent materials as host materials for solid state lasers and it is remarkable their capacity of recibing light with a certain frequency and then emit light with higher frequency and energy, this property is known as up-conversion.