¿Cuáles son las principales propiedades del titanato de bario y estroncio?

El titanato de bario y estroncio (BST) es un compuesto que forma una solución sólida entre dos óxidos de perovskita, el titanato de bario (BaTiO₃) y el titanato de estroncio (SrTiO₃). La combinación de estos materiales da lugar a un material versátil que presenta una amplia gama de propiedades físicas, eléctricas y mecánicas. El BST se estudia mucho por su elevada constante dieléctrica, su comportamiento ferroeléctrico y sus propiedades piezoeléctricas, que lo hacen valioso para su uso en condensadores, sensores, actuadores y dispositivos de memoria.

La capacidad de adaptar las propiedades del BST ajustando la proporción de contenido de bario y estroncio permite a los ingenieros crear materiales optimizados para aplicaciones específicas. Ya sea en telecomunicaciones de alta frecuencia, dispositivos de almacenamiento de energía o tecnologías avanzadas de sensores, el BST ofrece un amplio abanico de posibilidades para los avances tecnológicos.

En Centro de cerámica avanzadaEstamos especializados en productos de titanato de bario y estroncio (BST) de alta calidad, que garantizan un rendimiento óptimo para aplicaciones industriales y científicas.

¿Qué es el titanato de bario y estroncio?

Titanato de bario y estroncio (BST) es un cerámica ferroeléctrica con la fórmula química BaₓSr₁₋ₓTiO₃donde x determina su comportamiento de transición de fase. Combina las propiedades de titanato de bario (BaTiO₃) y titanato de estroncio (SrTiO₃), ofreciendo dieléctricos, piezoeléctricos y piroeléctricos sintonizables características críticas para la electrónica avanzada.

Composición y estructura del titanato de bario y estroncio

La composición del BST viene determinada por la proporción de titanato de bario (BaTiO₃) y titanato de estroncio (SrTiO₃). Esta proporción puede variar para crear un material con las propiedades deseadas, lo que ofrece un enfoque flexible para el diseño de materiales. La estructura cristalina del BST se basa en la red de perovskita, que es muy estable y proporciona muchas de las notables propiedades del material.

La estructura de la perovskita consiste en iones de titanio en el centro de un octaedro rodeado de iones de oxígeno. Los iones de bario y estroncio ocupan las esquinas de los octaedros, dando a la estructura una forma simétrica y muy ordenada. La proporción específica de bario y estroncio afecta a los parámetros reticulares y a la simetría, influyendo en los comportamientos dieléctrico y ferroeléctrico del material.

1. Composición química

✅Fórmula general: BaₓSr₁₋ₓTiO₃

✅x = 0 a 1 (ajusta la temperatura de transición de fase y las propiedades dieléctricas)

✅Composiciones comunes:

• Ba-ricos (x > 0,7): Ferroeléctrico a temperatura ambiente (alta polarización).
• Rico en Sr (x < 0,3): Paraeléctrico (alta sintonizabilidad dieléctrica).
• Intermedio (x ≈ 0,5): Propiedades equilibradas para aplicaciones de RF/microondas.

✅Efectos del dopaje:

Dopante	Efecto sobre las propiedades de la BST	Aplicaciones
Nb⁵⁺	↑ Conductividad, ↓ pérdida dieléctrica.	Condensadores sintonizables
Mn²⁺/Mn³⁺	↓ Corriente de fuga	Dispositivos de RF de alta potencia
La³⁺	Suaviza la ferroelectricidad	Almacenamiento en memoria

2. Estructura cristalina

✅Entramado de perovskita (tipo ABO₃):

• Sitio A: Ba²⁺/Sr²⁺ (cationes grandes de 12 coordenadas)
• Página B: Ti⁴⁺ (catión pequeño de 6 coordenadas)
• Página web: O²- (forma una coordinación octaédrica con el Ti)

✅Transiciones de fase:

Fase	Estructura	Temperatura	Propiedades
Cúbico	Pm 3m (Paraeléctrico)	> T꜀	Alta εᵣ, baja pérdida
Tetragonal	P4mm (Ferroeléctrico)	Por debajo de T꜀	Polarización espontánea
Ortorrómbico	Amm2 (Ferroeléctrico)	Intermedio	Sensible a la tensión

Temperatura Curie (T꜀): Ajustable mediante la relación Ba/Sr (p. ej, Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃ tiene T꜀ ≈ 250K).

Composición frente a propiedades

Composición	Propiedades
BaTiO₃ puro (100% Ba)	Altas propiedades ferroeléctricas, alta constante dieléctrica
SrTiO₃ puro (100% Sr)	Menor constante dieléctrica, mayor estabilidad, mejor rendimiento en alta frecuencia
Composición mixta	Constante dieléctrica ajustable, comportamiento ferroeléctrico ajustable

Comparación con otras perovskitas

Material	Estructura	Diferencia clave frente a la BST
BaTiO₃	Tetragonal	Mayor T꜀ (~400K)
SrTiO₃	Cúbico	No ferroelectricidad a RT
PZT	Romboédrica	Mayor d₃₃ (piezoeléctrico)

Titanato de bario y estroncio (BaₓSr₁₋ₓTiO₃BST) es una cerámica versátil de perovskita famosa por su propiedades dieléctricas, ferroeléctricas y piezoeléctricas sintonizables. Ajustando el Relación Ba/SrLas transiciones de fase y los comportamientos funcionales del BST pueden diseñarse con precisión para aplicaciones que van de Filtros sintonizables 5G a dispositivos de memoria de alta densidad. A continuación, exploramos su principales características de rendimiento.

Propiedades eléctricas de Bario Estroncio Titanato

Una de las características más notables del titanato de estroncio y bario son sus propiedades eléctricas, que incluyen una elevada constante dieléctrica, ferroelectricidad y piezoelectricidad. Estas propiedades hacen que el BST sea muy eficaz en condensadores, sensores y dispositivos de memoria.

1. Respuesta dieléctrica sintonizable:

El BST es conocido por su elevada constante dieléctrica, lo que significa que puede almacenar una gran cantidad de carga eléctrica en relación con su volumen. La constante dieléctrica puede ajustarse variando la proporción de BaTiO₃ y SrTiO₃. A temperatura ambiente, el BST tiene una constante dieléctrica elevada, lo que resulta beneficioso para su uso en condensadores que requieren una gran capacidad de almacenamiento de carga.

Propiedad	BST (Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃)	Significado
Constante dieléctrica (εᵣ)	200-1.000 (a 1 MHz)	Gran capacidad de almacenamiento de carga
Sintonizabilidad (Δεᵣ/εᵣ₀)	Hasta 70% (bajo polarización CC)	Habilita dispositivos controlados por tensión
Tangente de pérdida (tan δ)	0,002-0,02 (a GHz)	Baja disipación de energía en circuitos de RF

2. Polarización ferroeléctrica:

El BST presenta un comportamiento ferroeléctrico, lo que significa que puede mantener un estado de polarización permanente incluso en ausencia de un campo eléctrico externo. Esto es crucial para aplicaciones como la memoria no volátil, donde la carga almacenada debe permanecer intacta sin un suministro continuo de energía.

Parámetro	BST (x = 0,7)	BST (x = 0,3)
Polarización remanente (Pᵣ)	5-10 µC/cm².	~0 (paraeléctrico)
Campo coercitivo (E꜀)	1-3 kV/cm	N/A

Histéresis en función de la composición:

• Ba-ricos (x > 0,7): Ferroeléctrico a temperatura ambiente (utilizable en memoria no volátil).
• Rico en Sr (x < 0,3): Paraeléctrico con sintonizabilidad lineal εᵣ (ideal para la sintonización de RF).

3. Piezoelectricidad

El BST también es piezoeléctrico, lo que significa que genera una carga eléctrica cuando se somete a una tensión mecánica. Esta propiedad lo hace útil en aplicaciones como sensores y actuadores ultrasónicos, donde la deformación mecánica se convierte en una señal eléctrica.

✅Coeficientes piezoeléctricos:

Parámetro	BST rica en Ba (x > 0,7)	BST rica en Sr (x < 0,3)
d₃₃ (pC/N)	50-200	<5 (insignificante)
d₃₁ (pC/N)	-20 a -80	~0
kₜ (Coeficiente de acoplamiento)	0.3-0.5	<0.1

Mecanismo:

• Ba-rich BST: Ferroeléctrico fase tetragonal permite Desplazamiento de iones Ti⁴⁺ bajo tensión → piezoelectricidad.
• Sr-rich BST: Cúbico fase paraeléctrica carece de polarización espontánea → respuesta mínima.

✅Comparación con los piezoeléctricos clásicos:

Material	d₃₃ (pC/N)	T꜀ (°C)	El mejor caso de uso
BST (x=0,8)	150	30	Sensores sintonizables
PZT-5A	374	365	Actuadores de alta fuerza
AlN	5.5	>2000	Filtros RF

Ventaja BST: Voltaje ajustable d₃₃ (mediante modulación εᵣ) → Transductores adaptativos.

4. Corriente de fuga y avería

Factor	Impacto en la BST	Solución
Vacantes de oxígeno	↑ Fuga	Dopaje Mn/Nb
Límites del grano	↓ Tensión de ruptura	Películas nanocristalinas
Espesor de la película	Más fino = ↑ Tolerancia de campo	Deposición optimizada

Rendimiento típico:

• Corriente de fuga: 10-⁷-10-⁵ A/cm² (a 100 kV/cm)
• Campo de desglose: 500-1000 kV/cm (a granel), 1-3 MV/cm (películas finas)

5. Comportamiento dependiente de la frecuencia

Gama MHz-GHz:

• εᵣ sintonizabilidad disminuye con la frecuencia (las contribuciones de la pared del dominio se desvanecen).
• Óptimo para 1-10 GHz (aplicaciones 5G/mmWave).

Gama THz:

• Es posible la detección piroeléctrica (por ejemplo, imágenes de seguridad).

Comparación con materiales de la competencia

Material	εᵣ Sintonizabilidad	tan δ (10 GHz)	El mejor caso de uso
BST	★★★★★ (70%)	★★★☆ (0.01)	Dispositivos de RF sintonizables
PZT	★★☆☆ (5%)	★☆☆☆ (0.05)	Actuadores/sensores
STO	★★★☆ (30%)	★★★★ (0.005)	Sustratos cuánticos

Propiedades térmicas del bario-estroncio Titanato

Titanato de bario y estroncio (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) presenta comportamiento térmico dependiente de la composiciónpor lo que es fundamental electrónica estable a la temperatura, dispositivos sintonizables y sensores térmicos. A continuación se indican sus principales características térmicas:

• Estabilidad a altas temperaturas: El BST mantiene sus propiedades eléctricas y mecánicas a temperaturas elevadas, lo que resulta crucial para aplicaciones en entornos con temperaturas fluctuantes o elevadas. El material puede soportar temperaturas de hasta varios cientos de grados Celsius sin experimentar una degradación significativa de su rendimiento.
• Conductividad térmica: El BST tiene una buena conductividad térmica, lo que le permite disipar el calor con eficacia. Esto es particularmente importante en la electrónica de alto rendimiento, donde la gestión de la generación de calor es una preocupación crítica.
• Transiciones de fase: A determinadas temperaturas, el BST experimenta transiciones de fase entre las estructuras tetragonal y cúbica. Estos cambios de fase pueden afectar a las propiedades dieléctricas y ferroeléctricas del material, que son importantes a la hora de diseñar dispositivos para su uso en entornos con diferentes temperaturas.

1. Transiciones de fase y temperatura de Curie (T꜀)

Composición (Ba:Sr)	Estable εᵣ en un amplio rango.	T꜀ (K)	Estabilidad térmica
Ba₀.₈Sr₀.₂TiO₃	Ferroeléctrico (tetragonal)	~350	Pico agudo de εᵣ a T꜀.
Ba₀.₅Sr₀.₅TiO₃	Cerca del límite de fase	~250	Amplia anomalía dieléctrica
Ba₀.₂Sr₀.₈TiO₃	Paraeléctrico (cúbico)	<50	εᵣ estable en una amplia gama

2. Expansión térmica y efectos de la deformación

Propiedad	BST (Ba₀.₆Sr₀.₄TiO₃)	Impacto en el rendimiento
CET (×10-⁶/K)	9-11 (25-500°C)	Coincide mal con Si (3,5) → Riesgo de agrietamiento de la película.
Desajuste del sustrato Tensión	Hasta 0,5% (en MgO)	Puede mejorar la sintonizabilidad εᵣ o causar delaminación

Estrategias de mitigación:
✔ Capas intermedias (por ejemplo, LaAlO₃) para el crecimiento de capas finas.
✔ Composiciones graduadas reducir el estrés térmico

3. Conductividad térmica y difusividad

Propiedad	BST (a granel)	BST (película fina)
κ (W/m-K)	2-3	1-2 (amorfo)
D (mm²/s)	0.5-0.8	0.3-0.5

Implicaciones:

• Baja κ limita las aplicaciones de alta potencia (problemas de disipación del calor).
• Película κ se reduce aún más por los límites de grano/defectos.

4. Estabilidad a altas temperaturas

Medio ambiente	Comportamiento del BST	Modo de fallo
Aire (≤800°C)	Estable	Pérdida de oxígeno >900°C
Vacío (≤600°C)	Reducción de Ti⁴⁺ → Ti³⁺.	Aumento de las fugas

Soluciones:

• Dopaje Mn/Nb suprime la formación de vacantes de oxígeno.
• Encapsulación (por ejemplo, revestimiento de Al₂O₃) para entornos difíciles.

Comparación con otros ferroeléctricos

Material	T꜀ (°C)	CET (×10-⁶/K)	κ (W/m-K)	Mejor caso de uso térmico
BST (x=0,6)	-23	10	2.5	Filtros RF sintonizables
PZT	365	4-6	1.2	Actuadores de alta T
STO	-250	9.4	12	Sustratos criogénicos

Ventaja BST: A medida T꜀ para rangos de funcionamiento específicos.

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Propiedades mecánicas de Titanato de bario y estroncio

Titanato de bario y estroncio (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) presenta comportamiento mecánico dependiente de la composicióncrítico para dispositivos de película fina, sensores MEMS y electrónica duradera. A continuación se describen sus principales características mecánicas:

• Dureza y resistencia: El BST es relativamente duro y puede soportar tensiones mecánicas. Su capacidad para soportar la presión lo hace adecuado para su uso en aplicaciones en las que se requiere durabilidad, como en componentes estructurales de dispositivos electrónicos.
• Módulo elástico: El BST tiene un alto módulo elástico, lo que significa que es rígido y resistente a la deformación. Esta propiedad es especialmente útil en aplicaciones piezoeléctricas, en las que el material debe mantener su forma y estructura mientras convierte la energía mecánica en eléctrica.
• Resistencia a la fractura: Aunque el BST es un material cerámico intrínsecamente frágil, tiene una buena tenacidad a la fractura, lo que significa que puede resistir la propagación de grietas bajo tensión.

1. Módulo elástico y dureza

Propiedad	BST (a granel)	BST (película fina)	Significado
Módulo de Young (E)	120-160 GPa	80-120 GPa (efectos de la tensión de la película)	Determina la rigidez
Dureza Vickers (HV)	5-7 GPa	4-6 GPa	Resistencia al rayado/desgaste
Relación de Poisson (ν)	0.25-0.30	0.20-0.25	Distribución de la tensión

Nota:

• Exposición de películas E inferior debido a los límites de grano y a los defectos.
• Composiciones ricas en Ba son ligeramente más duros (mayor resistencia del enlace Ti-O).

2. Resistencia a la fractura y fragilidad

Parámetro	BST (a granel)	Comparación (Al₂O₃ / Si)
Resistencia a la fractura (K꜀c)	1,0-1,5 MPa√m	Al₂O₃: 3-4 MPa√m
Resistencia a la flexión	80-120 MPa	Si: 1-3 GPa (pero quebradizo)

✔Desafíos:

• Bajo K꜀c → Propenso a agrietarse bajo tensión mecánica/térmica.
• Naturaleza quebradiza limita el uso en entornos de alto impacto.

✔Soluciones:

• Dopaje (Mn, Mg) afinar la estructura del grano
• Compuestos poliméricos para electrónica flexible

Comparación con otras cerámicas

Material	E (GPa)	K꜀c (MPa√m)	Mejor caso de uso mecánico
BST	140	1.2	MEMS de RF sintonizables
PZT	70	0.9	Actuadores de alta tensión
AlN	330	2.5	Transductores ultrasónicos

Contrapartidas de la BST:

• Más blando que el AlN pero ofrece rigidez ajustable en campo.
• Más quebradizo que el PZT pero con menor pérdida dieléctrica.

Propiedades magnéticas de Bario Estroncio Titanato

Titanato de bario y estroncio (BaₓSr₁₋ₓTiO₃) es conocida sobre todo por su propiedades ferroeléctricas y dieléctricaspero también presenta comportamiento magnético débil en condiciones específicas. A continuación se ofrece un análisis detallado de sus características magnéticas:

Comportamiento magnético intrínseco:

Propiedad	BST (BaₓSr₁₋ₓTiO₃)	Notas
Dominio diamagnético	χ ≈ -10-⁷ a -10-⁶ (SI)	Susceptibilidad débil y negativa
Contribución paramagnética	χ ≈ +10-⁶ (si está dopado con Mn/Fe)	De electrones 3d no apareados
Orden ferromagnético	Ninguno (BST sin dopar)	Requiere dopaje de metales de transición

Nota:

• La BST pura no es magnética (diamagnético).
• Dopado con Mn²⁺/Fe³⁺ introduce paramagnetismo localizado pero no orden de largo alcance.

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Principales aplicaciones del titanato de bario y estroncio

La combinación única de propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas hace del titanato de bario y estroncio (BST) un material ideal para numerosas aplicaciones de alta tecnología. Algunos usos comunes del BST son:

• Condensadores: La elevada constante dieléctrica del BST lo convierte en un candidato ideal para su uso en condensadores, especialmente en aplicaciones de alta frecuencia como las telecomunicaciones.
• Dispositivos de memoria: Las propiedades ferroeléctricas de la BST la hacen idónea para dispositivos de memoria no volátil que conservan datos sin alimentación. Estas propiedades son especialmente valiosas en dispositivos como la FeRAM (memoria RAM ferroeléctrica).
• Sensores y actuadores: Las propiedades piezoeléctricas del BST le permiten convertir la tensión mecánica en una señal eléctrica y viceversa, lo que lo hace útil para sensores y actuadores en diversas aplicaciones, como sensores de presión, sensores de vibración y sistemas de control de precisión.
• Dispositivos de microondas: El BST se utiliza en aplicaciones de microondas por su elevada constante dieléctrica y su capacidad para funcionar eficazmente a altas frecuencias. Se utiliza en dispositivos como condensadores sintonizables y desfasadores para sistemas de comunicación.
• Captación de energía: Las propiedades piezoeléctricas y ferroeléctricas del BST también lo convierten en un candidato potencial para los dispositivos de captación de energía, en los que la energía mecánica puede convertirse en energía eléctrica.
• Optoelectrónica: El BST se está estudiando para su uso en dispositivos optoelectrónicos, como moduladores de luz, debido a sus propiedades dieléctricas sintonizables y a su capacidad para interactuar con campos eléctricos y ópticos.

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PREGUNTAS FRECUENTES

Pregunta	Respuesta
¿Qué es el titanato de bario y estroncio (BST)?	El BST es un material cerámico con alta constante dieléctrica y propiedades ferroeléctricas, utilizado en electrónica y sensores.
¿Cuáles son las principales aplicaciones de la BST?	La BST se utiliza en condensadores, dispositivos de memoria, sensores, actuadores y dispositivos de microondas.
¿Cómo mejora el BST el rendimiento de los condensadores?	La elevada constante dieléctrica del BST permite que los condensadores almacenen más energía y funcionen eficazmente a altas frecuencias.
¿Puede utilizarse la BST en la captación de energía?	Sí, las propiedades piezoeléctricas del BST lo hacen adecuado para la captación de energía mediante la conversión de energía mecánica en electricidad.
¿Se utiliza la BST en los dispositivos de memoria?	Sí, sus propiedades ferroeléctricas hacen que la BST sea ideal para memorias no volátiles, como la FeRAM.
¿Cuáles son las ventajas de la BST en los sensores?	Las propiedades piezoeléctricas del BST le permiten detectar eficazmente los cambios de presión, vibración y otras tensiones mecánicas.

En conclusión, el titanato de bario y estroncio (BST) es un material versátil con excepcionales propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas que lo hacen adecuado para una amplia gama de aplicaciones. Su elevada constante dieléctrica, ferroelectricidad, piezoelectricidad y características sintonizables han permitido su uso en tecnologías críticas como condensadores, dispositivos de memoria, sensores y actuadores. A medida que sigamos explorando nuevas fronteras en las tecnologías electrónicas y energéticas, es probable que el papel del BST sea aún más importante. Su importancia en campos como las telecomunicaciones, la captación de energía y la optoelectrónica pone de relieve su potencial para impulsar la innovación en diversos sectores de alta tecnología. Por tanto, la investigación y el desarrollo en curso de la BST desempeñarán sin duda un papel crucial en la configuración del futuro de la tecnología moderna.

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