El titanato de bario pertenece al grupo de materiales de las perovskitas, donde un ion de titanio reside dentro de una jaula octaédrica de oxígeno. El material exhibe un comportamiento ferroeléctrico de tipo desplazativo, donde el desplazamiento de iones durante la transición de fase conduce a la creación de un momento dipolar permanente dentro del material.

En un estudio publicado en la revista Dalton Transactions , investigadores dirigidos por el profesor Ayako Yamamoto del Instituto de Tecnología Shibaura, incluido el estudiante de maestría Kimitoshi Murase, han desarrollado un material ferroeléctrico de tipo desplazamiento con una alta constante dieléctrica. La parte teórica fue investigada por el Dr. Hiroki Moriwake y su grupo del Centro de Cerámica Fina de Japón.

Empleando un método de alta presión, los investigadores incorporaron con éxito iones de rubidio de tamaño considerable en compuestos de tipo perovskita, lo que dio como resultado la síntesis de niobato de rubidio (RbNbO₃ ). Este compuesto, anteriormente conocido por su desafiante proceso de síntesis, se creó de manera efectiva mediante un enfoque innovador.

RbNbO₃ exhibe ferroelectricidad de desplazamiento como BaTiO₃ , lo que lo convierte en un candidato prometedor para los condensadores y el interés en sintetizar RbNbO₃ se remonta a la década de 1970. Sin embargo, las investigaciones sobre sus propiedades dieléctricas sólo se han llevado a cabo a bajas temperaturas (por debajo de 27°C).

Este estudio arroja luz sobre la estructura cristalina y las transiciones de fase en un amplio rango de temperaturas (–268 a +800 °C), allanando el camino para futuras investigaciones y desarrollos.

"El método de síntesis de alta presión ha obtenido una variedad de materiales con estructuras de tipo perovskita, incluidos superconductores e imanes. En este estudio, nos centramos en combinar niobatos y metales alcalinos conocidos por sus altas propiedades dieléctricas", dice el profesor Yamamoto.

Los investigadores sintetizaron RbNbO₃ que no es de tipo perovskita. sinterizando una mezcla de carbonato de rubidio y óxido de niobio a 1.073 K (800°C), luego la sometió a altas presiones de 40.000 atmósferas a 1.173 K (900°C) durante 30 minutos. En estas condiciones de alta presión y alta temperatura, el niobato de rubidio experimentó una transformación estructural de una fase triclínica compleja a presión ambiente a una estructura de tipo perovskita ortorrómbica un 26 % más densa.

Utilizando difracción de rayos X, los investigadores investigaron la estructura cristalina. Su análisis utilizando un solo cristal reveló que la estructura cristalina se parecía mucho a la del niobato de potasio (KNbO₃ ) y exhibió distorsiones similares observadas en BaTiO₃ , ambos materiales ferroeléctricos muy conocidos.

Sin embargo, encontraron que la ortorrombicidad y el desplazamiento de los átomos de niobio en RbNbO₃ superó los de KNbO₃ , lo que indica un mayor grado de polarización dieléctrica debido a las transiciones de fase.

Además, mediante difracción de rayos X en polvo, los investigadores identificaron cuatro transiciones de fase distintas que se producen en temperaturas que oscilan entre –268 °C y +800 °C. Por debajo de la temperatura ambiente, RbNbO₃ existe en una fase ortorrómbica, que es la configuración más estable.

A medida que aumenta la temperatura, sufre transiciones:primero a una fase de perovskita tetragonal por encima de 220 °C, luego a una fase de perovskita tetragonal más alargada por encima de 300 °C. Finalmente, por encima de los 420°C, vuelve a una fase no perovskita que se encuentra en condiciones atmosféricas.

Estas transiciones de fase observadas coinciden estrechamente con las predicciones realizadas mediante cálculos de primeros principios. Los investigadores también calcularon la polarización dieléctrica de diferentes fases de RbNbO₃ . Descubrieron que la fase ortorrómbica tenía una polarización de 0,33 C m ⁻² , mientras que las dos fases tetragonales mostraron polarizaciones de 0,4 y 0,6 C m ⁻² , respectivamente. Estos valores son comparables a los de los niobatos de metales alcalinos ferroeléctricos como KNbO₃ (0,32 C·m ⁻² ), LiNbO₃ (0,71 C·m ⁻² ), y LiTaO₃ (0,50 C·m ⁻² ).

"La fase de alta presión obtenida esta vez confirmó la presencia de una estructura polar a partir de la observación de la generación del segundo armónico de la misma fuerza que el niobato de potasio, y también se obtuvo una permitividad relativa relativamente alta. En cuanto a la constante dieléctrica, se espera que se pueden obtener valores iguales o superiores a los del niobato de potasio aumentando la densidad de la muestra, como se predice a partir de cálculos teóricos", dice el profesor Yamamoto.

Los investigadores están planeando más experimentos para medir con precisión la constante dieléctrica y demostrar la alta polarización de RbNbO₃ . La ventaja del método de alta presión radica en su capacidad para estabilizar sustancias que no existen bajo presión atmosférica.

Utilizando el método propuesto, se podrían incorporar iones de metales alcalinos más grandes, como el cesio, a la estructura de la perovskita, lo que daría lugar a ferroeléctricos con propiedades dieléctricas deseables.