REVISTA r-.1E.\ICA1\'A DE FiSIC,\ 4;; SI'I'I.E.\IE:-;TO 1. 125-127 JUNIO 1991)

Comportamicnto dicléctdco dc los compucstos: Thx EUl_xTa309, paraX = 0,0.5,0.75, 1

A. Iharra Palos, M.E. Villafuelle Castrejún y A. lIuanosta TeraIflstituto di' Im'cstigaciol/i's en Materialcs, lJlliI'crsidlld Naciollal '\/lfrJllolI/a dc México

Apartado ¡w.HaI7(}.360, Ciudad Unil'crsiUlr;(/, Coyoacáll, México, D.F, Mcxico

Recihido 1.'126de fehrero de PNH: aceptado d JO de mayo de I<)<)H

En este trahajo se utilizó la técnica de espectroscopia de impedancias y drcuitos equivnlentes p<ara la determinación de los principalesp:lr,ímctros eléctricos de los compuestos Tlh:Eul_xTa30~¡. con .Y = O, (l.~). n,,':;. 1. La dependellcia de la conductividad re~pccto aI:l tC'rnpcr:llllr;}se discute en términos de ~r:ílicas de Arrhenius. Se reportan y disculen otros p,lr:lllletros eléctricos como lns energias de:K"tiv,lcilínpara C(mducción y la COl1stanll'dil'lél"trica.

f)(',\.("I"i¡I/(lI"{,.I.: Espectroscopia de impedancias: lanl:llatos con eslructur:l tipo pero\'skil,l: soluciones s{¡lidas: l'er<Ímicas dieléctric:ls

To delermine the main elcctrical r,lraJT1l'tl'rsofThx EUI_xTa10,,: X = 11,O.J, (J.7;¡. l. impcdance speclroscopy techniquc assistcd hy equi-valenl cin.:uil, \\/<1S canieo out. rrorn the t\rrhenius plots (which \\"cre ohlained fmm imped,lllce rcsults) the JepcnJel1ce 01'the conJuctivityas a function of tempcraturc is disclIssl'd. In additinn. the activation l'ncr~y and dieiL'ctril' constanl are reportcd.

¡":I'.\'Il"(ml.\: Irnpedance spectroscopy: pel"OvskilCstructure lnntalalcs: soliJ solutillllS: dicicclric ceralllics

PACS: 77X~: 72.20

I. Introducción

Los compucstos ThTa~On y EuTa:IO!) presentan estructura (i-po pero\'skita [11. Una característica especial de su celda uni.(aria es que los lan(ánidos ocupan estadísticamente 2/3 de lossitio, tlodecaédricos típicos de csa estructura, además de pre.sentar otros huecos vacantes en otras posiciones f2. 31. Estofa\'oreCl.' la posihil idad de que ocurra 1ll0\'i miento de portal!{)-res de carga iónicos a través de estos silios, por lo que resultainteresante realizar cSlUdios de conductividad en este tipo desislemas. ¡\demás. entrc estos compucstos, existe una solu.ción sól ida continua con fórmula general: Th.Y Eu] _.\ Ta:IO'l.Nuestro interés inmediato es determinar el efecto de la par-ticipación mixta de las dos tierras raras en las propiedadeseléclricas.

Una técnica de análisis utilizada frccucntemenle enla investigación de propiedades eléctricas de materialesccr;ímicos es la espectroscopía de impedancias. En este ca-so se analiza la respuesta eléctrica del material sujelo a uncampo eléctrico dependiente del tiempo [,1,51. Se hace usode modclaje en términos de elelllenlos discretos R y C pa-ra generar circuitos equivalentes que permitan el análisis delos parámetros eléctricos involucrados. Los resultados que sepresentan aquí se refieren a las composiciones correspondien-tes a .\ = O, O.:;, O. ,5, L

2. Experimental

Las muestras estudiadas, se ohtuvicron por reacci()n en es-tado s()lido .. en hornos de atm6sfera librc. Para reJlizar laspruehas de conductividad se utilizaron mucstras sintcrizadas

en forma (k~pastilla (1 I1IIllde espesor y 1.2 cm de Ji<Ímetro),con electrodos mct~í1icos construidos en las caras planas delas l1luestras. Se utilizó pasta y laminilla de oro en la fahri-ración de los electrodos. Las mediciones se hicieron en unhorno wnicai con c;ímara de atmósfera normal. El intervalode temperaturas investigado fue desde 300°C hasta R50°C, latL'lIlperalUra experimental se registró colocando un termoparíl 4-) I11Illde distancia de la Illuestra. Cada medici6n se ob-tUV{Ja temperatura constante, dejalHhJ el horno a temperaturalija no menos de I h para estahilil.;u:i6n. Se usó un analil.a-dO!"de impedancias HP4 192A de Ilewlctt Packard, controla.do por una PC, en el intervalo de frecuencias 5 Hz-U t\.111/..El voltaje aplicado fue 1 V..cn todos los casos.

3. Resultados y discusión

En principio ..es posihle utilil.ar los formalismos de impedan-cias, admitancias, pcnnitividad o m()l!ul0 complejo para co.l11enzar con el análisis de los rcsultados. Sin cmbargo, el he-cho de que la informaci6n ohtenida en estc caso se apreciamejor en el plano de impedancias .. favorece la utilización deéste formalismo para determinar el comportamiento de losparámetros eléctricos. En la Fig. I se muestra una familia decurva, en el plano Z .. ¡'s. Z', para el ca,o .\ = 1 a T = SOG.,(J.¡ y G.!SOC;.\ = O.,:; a T = SO:;, ,2S y G42°C; .\ = 0.:;0a T = 812, ,02 YG50'C;.\' = Oa T = 800, ,00 YGl,'CLa fOrrl};l casi semicin:ular de estas curvas sugiere de inrne.di<l\o la posihilidad de que pueda ser ulilizado un circuito RCen paralelo como circuito equivalellte. Así resulta lllUY fácilel c;i!rulo de los panímetros I? y C. Es decir, R es el valor de

126 A. !BARRA PALOS, ME VILLAFUERTE CASTREJÓN y A. IIUANOSTA TERA

70<-0

1,0010'

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.~.'. .20:<10' O0.:' ...•..

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Z(U)

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72ll"C .-2(bl0. ...... .. .. ...... .,

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Z{m

-10.10'

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OO. \ ,00

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FJ(;lII{A l. ReSpllcst:l eléctrica a t1ifcrcnlcs temperaturas en la reprcscntariúll dc impl'dancias dc las ClJ:11ro muestras analizadas.

Z' en el punto de intersección con la curva de impedanciasen la región de hajas fnxucncias. Ahora, puesto que en elm<Íxilllo de la curva se cumple que e =: (2r.fR)-I, enton-ces L'i valor dI: la capacitancia asociada puede ohtenerse raracada (un"a experimcntal. 11roccdicndo de esta forma se calcu-laron todos los valores de H y C, para tooas las temperaturasestudiadas. La conductividad se calculó mediante a = rJ R,en donde f9 es un factor geomélrico propio de cada mues-Ira. El resultado de este c:ílculo se muestra en la gráfica oela Fig. 2<1.Es evidente el comportamiento pr¡lcticamente li-neal de la conductividad cn función de la temperatura, locU:ll indica UI1comportamiento de Arrhenius casi ideal. Lapendiente de estas curV:lS se utilizó para calcular la energíade ¡H:tivación asociada al proceso de conducción clét:'trit:'a.Una dc las vcnlajas de utilizar la técnica dc cspectroscopíade impcdancias l'S que la depcndencia de la frecuenda dcla respuesta eléctrica permite discernir cuales son las regio-nes lk la llluestra por las que se mucven los portadores decarga. AsÍ, cn el caso de sistemas policristalinos cs posibledistinguir la respuesta eléctrica de granos, fronteras de gra-!lO, segundas fases () fenómenos a los electrodos. Es comúnencontrar que cada una de estas regiones produzca, como res-

puesla, un arco de círculo en el plano de impedancias, cuyovalor de capacitancia asociada puede proporcionar el crite-rio de sekcciún[G]. La respuesta eléctrica de los compuestosestudiados es pr;íclicamenle un semicírculo, con valores decapacitancia asudados del orden de }JF Este valor permiteasignar tal respuesla a los granos del sistema crislalino [üj.La (ondición (' = ('2rrf R)-l sc ha utilizado aquí con Josprop<Ísitos adicionales: calcular el tiempo oc relajación Ta

y la constan le dieléctrica ('/. En cl primcr caso se usó comoRe = (2rrf ll)-' = T~. En la Fig. 2b se observa cl com-portamiento de Tt7 en función de T. El comportamiento es,de 1111e\'o,de tipo i\rrhenius. En el segundo caso se utilizarondireClalllcnte los valores de e para obtener (' = fgC/(u' l(J

es la constante dieléctrica del vacío. Los cálculos producenvalores quc JlHll'stran una dispersión, en función de la tcmpe-ratura, de apnnillladalllcnlc -i::.7, respecto a un valor prome-dio independicllte de T. Aquí se ha tomado el valor promediode (' para cada UllOde los compuestos estudiados. En la Ta-bla I se muestran los valores de (/. En la misma tabla sc exhi.bcn los valores de energía de activación asociados al procesode conducci<ín y al ticmpo de relajación de los compuestosestudiados.

RI'I'. Mex. Ft\., -l5 SI (l<)()t)) 125-127

COr-.1PORTAMIENTO DIELÉCTRICO DE LOS COMPUESTOS: Th\; Eu. ~xTa:~()<¡. PARA X = 0.0.5. O.i5, 1 127

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(a) (h)

¡:H;UJ~A2. (a) Comportamiento dc la conduclivitlad en fUllción dc la tcmpcrillma. (h) Ticmpo dc relajaci6n.

TAHI.A 1. Encrgías de activación asociadas a conductividad. tiempodc relajación y constante dieléctrica.

C(lmpllcsto En(cV/K) E,(cV/K),

'b

ThTaIO'1 -IJ.90695 IJ.92692 91.69IJTI1117",I:lJ(l,'2~Ta]O~l -IJ.68290 IJ.7IJ96IJ 87.771'I'hll, ~,r)EI.o,~,(JTa10n -0.73070 0,7'1581 80.38::;ElITaIO'1 -IJ.66295 IJ.G9962 100.78,j

electrones, especialmente porque en la región de hajas fre-cuencias no se manifiesta el proceso dc polarización a loselectrodos que caracteriza la participación de iones en la con-ducción. Es decir, a las temperaturas investigadas no se de-tectó la presencia dc conductividad iónica. La dependcncia de(T con respecto a T sigue UII comportamiento de Arrhenius.La cnergía de activaciún para conducción tiende' a decreccrcuando X decrece. La cOllslanle dieléctrica aumenta para Xdccreciente. El hecho de que Ea ~ Er indica que el procesode conducción se lleva ;¡ caho por un mccanismo de saltos,con una distrihución dc tiempos de relajación exhihida cn laFig.2b.

4. Cunclusiones

I~arcspucsta eléctrica de los compucst(}S estudiados es un so-lo semicírculo, eslo implica que las fronteras de grano no par-ticipan dc manera relevante en el proceso de conducci6n. I.:s-lc rcsultado tamhién indica que los portadores de carga SOIl

A¡:ra(il'cimientos

Los aulores agradecen el apoyo financiero dc la ()(j¡\_PA (UN¡\I\1), recihido a través del proyecto PAPIIT No.IN I05X95.

1. R.~l.lbf('n. Sei. Am. 25S (19H8) 7~.

~. P.N. Iycr nnd A.J. Smith. Acta O:\'stal/ogr: 2J (1967) 7.Hl

:J. 1\. Ih¡lrra-Pillos l'f al. J. Solid Statt' O/{,III. 12~ (1996) 272.

1. A. 1I11anosta.Rl'I: .\ofl'x. ¡:¡.\. J~(t ')88) 279.

5. E. Pcren.Bcdolla ('{al. Cicncia -tfí (1995) 183.

G. J.TS. Irvinc e/ al. Adl'. Malf'/: 2 (19,)()) 132.

RI'\".Me.\". Fú. -t5SI (1')(J9) 125-127