Fotoactivación de precursors sol-gel para la preparación de láminas delgadas ferroeléctricas de PbTiO₃ a baja temperatura

Abstract

En la presente tesis doctoral se han preparado y caracterizado, desde un punto de vista estructural, microestructural y eléctrico, láminas delgadas ferroeléctricas de titanato de plomo (PbTiO3, PT) a tan sólo 400°C mediante PCSD, diseñando para ello una nueva estrategia de síntesis de las disoluciones precursoras. La fabricación de las láminas se ha llevado a cabo mediante el depósito de las disoluciones por spin-coating sobre substratos de Pt/TiO2/SiO2/(100)Si seguido de un secado y un tratamiento térmico en un horno RTP combinado con irradiación UV para favorecer la eliminación de los orgánicos y la cristalización del óxido a baja temperatura. El titanato de plomo cristaliza con estructura perovsquita y es el ferroeléctrico por excelencia, presentando un alto valor de polarización espontánea Ps~50μC/cm2. Por este motivo, este óxido ha sido elegido como objeto de este estudio. El responsable de una reducción tan significativa en la temperatura de procesado de las películas de PT es un compuesto fotosensible, N-metildietanolamina (MDEA), utilizado por primera vez en la fabricación de láminas con este fin, que no presenta toxicidad y con un máximo de absorción muy próximo a la longitud de onda de la lámpara utilizada en la irradiación (222 nm). La caracterización de los soles pone de manifiesto que el MDEA forma complejos con los cationes metálicos presentes en el sistema, que son los responsables de una alta absorción en el UV a través de un proceso de transferencia de carga, un tipo de transición electrónica con coeficientes de absortividad molar muy superiores a los que presentan las transiciones π-π*, que son las que experimentan habitualmente las disoluciones precursoras fotoactivadas en la técnica PCSD. La reducción en la temperatura de cristalización del óxido se debe tanto al aumento de la fotosensibilidad de las disoluciones precursoras debido a la existencia de transferencias de carga en los complejos que forma el compuesto MDEA, como a un fenómeno de autoignición que tiene lugar en el sistema debido a la presencia del nitrógeno del MDEA junto a un alto contenido de orgánicos, que origina una gran cantidad de energía que el sistema consume en la cristalización del óxido, reduciéndose así la temperatura. De esta forma, MDEA proporciona unos resultados que otros fotoactivadores no permiten obtener. De este modo, se esperarían los mismos efectos para cualquier composición que contuviera al menos un catión de configuración d0 o d10, puesto que son los complejos que forma el MDEA con los cationes metálicos de este tipo los responsables del aumento de la fotosensibilidad de las disoluciones precursoras a través de las transferencias de carga. Como las principales familias de ferroeléctricos contienen cationes de este tipo, esta nueva estrategia de síntesis abre las puertas a la preparación de una gran variedad de composiciones de óxidos mixtos funcionales con gran interés aplicativo en dispositivos electrónicos.