Perovskite: struttura, usi

La perovskite è un minerale naturale di titanato di calcio con una formula chimica di CaTiO3
Il mineralogista tedesco Gustav Rose scoprì questo minerale nel 1839 che prese il nome dal mineralogista russo Lev  Alekseevich Perovski (1792-1856).

Successivamente il nome è stato esteso a tutti i composti aventi la stessa stechiometria del titanato di calcio A2+B4+X32- detta appunto struttura perovskite.

Struttura della perovskite

La struttura ideale è di tipo cubico:

struttura perovskitica
struttura perovskitica

in cui lo ione Ca2+è in rosso, lo  ione Ti4+ è in blu e O2- è in giallo

I requisiti relativi alla dimensione degli ioni per la stabilità della struttura cubica sono piuttosto rigorosi, quindi una leggera deformazione e distorsione può produrre diverse versioni distorte a simmetria inferiore.

Alcuni cambiamenti portano alla formazione di forme ortorombiche, romboedriche, esagonali e tetragonali.

Classificazione

Una classificazione delle strutture di tipo perovskitico è fatta sulla base dei raggi degli ioni metallici costituenti. Bisogna inoltre tener conto della valenza dei cationi che può essere +2 e +3 ma anche, ad esempio, +3 e +3.

Sono classificati come ossidi ternari come:

  • KNbO3 del tipo A+B5+O3
  • BaTiO3 del tipo A2+B4+O3
  • LaFeO3 del tipo A3+B3+O3

Vi sono poi composti complessi del tipo (AB’xB’’y) O3 dove B′ e B″ sono due elementi diversi in diversi stati di ossidazione e x+y=1

Gli ossidi ternari, noti anche come famiglia di ossidi della perovskite, hanno formula generale ABO3 . Sono stati ampiamente studiati dall’inizio degli anni ’50, per il loro utilizzo nei dispositivi di conversione dell’energia. Sebbene i composti di perovskite più comuni contengano ossigeno, ve ne sono alcuni che non contengono ossigeno ma un alogeno come NaMgF3

Vi sono poi perovskiti ibride con alogenuri metallici legati a un residuo organico come il tri-alogenuro di piombo di metilammonio CH3NH3PbX3

Il titanato di bario BaTiO3 è un composto inorganico sintetizzato per riscaldamento del biossido di titanio TiO2 e carbonato bario BaCO3 che si presenta sotto forma di una polvere bianca a struttura perovskitica che varia a seconda della temperatura.

Il titanato di bario è un cristallo ferroelettrico ovvero dotato di elevatissima costante dielettrica. In esso  permane una polarizzazione residua anche dopo la rimozione del campo elettrico esterno inducente.

Il titanato di bario esibisce inoltre l’effetto fotorifrattivo per il quale, se esposto alla luce si verifica una variazione locale dell’indice di rifrazione. Questa proprietà della luce può essere utilizzata per realizzare degli strumenti ottici come gli specchi a coniugazione di fase, i calcolatori ottici, gli interruttori ottici, gli ologrammi dinamici e, soprattutto, le memorie olografiche.

effetto piezoelettrico
effetto piezoelettrico

Il titanato di bario presenta il fenomeno della piezoelettricità per il quale se si esercita una pressione, lungo una opportuna direzione, si produce una separazione di cariche elettriche, positive da una parte e negative dall’altra.

La scoperta degli effetti piezoelettrici nella ceramica di titanato di bario elettricamente polarizzata, all’inizio del 1940, fu un contributo rivoluzionario all’arte dei trasduttori elettromeccanici.

Usi

Sebbene i composti di perovskite siano stati studiati per più di un secolo, gli alogenuri di piombo di metilammonio sono iniziati negli ultimi due decenni. Essi hanno trovato per applicazioni come semiconduttori nelle celle solari. Tuttavia, queste celle non erano molto efficienti e non erano stabili. Successivi miglioramenti in termini di prestazioni e stabilità sono stati ottenuti grazie alla continua ricerca di nuovi materiali.

Ciò ha portato a un aumento dell’efficienza di conversione della luce solare in energia elettrica e le celle che utilizzano questi composti, a volte in tandem con quelle al silicio mostrano ottime performance soprattutto riguardo al costo. La ricerca per minimizzarne i difetti, tuttavia, è ancora in corso

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