Una nueva familia de materiales que podría resultar en un mejor almacenamiento de información digital y utilizar menos energía puede ser posible gracias a un equipo de investigadores de Penn State que demostraron ferroelectricidad en óxido de zinc sustituido con magnesio.

Los materiales ferroeléctricos se polarizan eléctricamente de forma espontánea debido a que las cargas negativas y positivas en el material tienden hacia lados opuestos y con la aplicación de un campo eléctrico externo se reorientan. Pueden verse afectados por la fuerza física, por eso son útiles para encendedores de botón como los que se encuentran en las parrillas de gas. También se pueden utilizar para almacenamiento de datos y memoria, porque permanecen en un estado polarizado sin energía adicional y también lo son las soluciones de almacenamiento digital de baja energía.

"Hemos identificado una nueva familia de materiales a partir de los cuales podemos fabricar pequeños condensadores y podemos establecer su orientación de polarización para que su carga superficial sea positiva o negativa". "dijo Jon-Paul Maria, Profesor de Penn State de ciencia e ingeniería de materiales, y coautor del artículo publicado en el Revista de física aplicada . "Ese entorno no es volátil, lo que significa que podemos configurar el condensador en más, y se queda más, podemos ponerlo en menos, permanece menos. Y luego podemos volver e identificar cómo configuramos ese capacitor, en decir, hace una hora."

Esta capacidad podría permitir una forma de almacenamiento digital que no utilice tanta electricidad como otras formas.

"Este tipo de almacenamiento no requiere energía adicional, ", Dijo María." Y eso es importante porque muchas de las memorias de las computadoras que usamos hoy requieren electricidad adicional para mantener la información, y utilizamos una cantidad sustancial del presupuesto energético estadounidense en información ".

Los nuevos materiales están hechos con películas delgadas de óxido de zinc sustituido con magnesio. La película se hizo crecer mediante deposición por pulverización catódica, un proceso en el que los iones de argón se aceleran hacia los materiales objetivo, impactarlo con una energía lo suficientemente alta como para liberar los átomos del objetivo que contiene magnesio y zinc. Los átomos de magnesio y zinc liberados viajan en fase de vapor hasta que reaccionan con el oxígeno y se acumulan en un sustrato de óxido de aluminio recubierto de platino y forman películas delgadas.

Los investigadores han estudiado el óxido de zinc sustituido con magnesio como método para aumentar la banda prohibida del óxido de zinc, una característica clave del material que es importante para crear semiconductores. Sin embargo, el material nunca fue explorado en busca de ferroelectricidad. Sin embargo, los investigadores creían que el material podría hacerse ferroeléctrico, basado en una idea de "ferroeléctricos en todas partes" propuesta por Maria y Susan Trolier-McKinstry, Profesor de la Universidad Evan Pugh, Steward S. Flaschen, profesor de ciencia e ingeniería de la cerámica, y coautor del artículo.

"Generalmente hablando, La ferroelectricidad ocurre a menudo en minerales que son complicados desde el punto de vista de la estructura y la química, "María dijo." Y nuestro equipo propuso la idea hace unos dos años, que existen otros cristales más simples en los que se podría identificar este útil fenómeno, ya que hubo algunas pistas que nos hicieron proponer esta posibilidad. Decir 'ferroeléctricos en todas partes' es un juego de palabras, pero captura la idea de que había materiales a nuestro alrededor que nos estaban dando pistas, y estuvimos ignorando esas sugerencias durante mucho tiempo ".

La carrera investigadora de Trolier-McKinstry se ha centrado en ferroeléctricos, incluyendo la búsqueda de mejores materiales ferroeléctricos con diferentes propiedades. Señaló que la Universidad de Kiel en Alemania había encontrado el primero de este sorprendente tipo de materiales ferroeléctricos en 2019 en nitruros. pero que ella y María han demostrado un comportamiento comparable en un óxido.

Parte del proceso que siguieron Trolier-McKinstry y el grupo de María es desarrollar una figura de mérito, una cantidad utilizada en ciencias como la química analítica y la investigación de materiales que caracteriza el rendimiento de un dispositivo, material o método relativo a alternativas.

"Al examinar cualquier solicitud de material, a menudo ideamos una figura de mérito que dice qué combinación de propiedades de los materiales necesitaríamos para cualquier aplicación dada para que sea lo más efectiva posible, ", dijo Trolier-McKinstry." Y esta nueva familia de ferroeléctricos, nos brinda posibilidades completamente nuevas para esas figuras de mérito. Es muy atractivo para aplicaciones para las que históricamente no hemos tenido grandes conjuntos de materiales, por lo que este tipo de desarrollo de nuevos materiales tiende a generar nuevas aplicaciones ".

Un beneficio adicional de las películas delgadas de óxido de zinc sustituido con magnesio es cómo pueden depositarse a temperaturas mucho más bajas que otros materiales ferroeléctricos.

"La inmensa mayoría de los materiales electrónicos se preparan con la ayuda de altas temperaturas, y las altas temperaturas significan entre 300 y 1000 grados Celsius (572 a 1835 grados Fahrenheit), ", dijo María." Siempre que fabrica materiales a temperaturas elevadas, viene con muchas dificultades. Suelen ser dificultades de ingeniería, pero, no obstante, hacen que todo sea más desafiante. Considere que cada capacitor necesita dos contactos eléctricos; si preparo mi capa ferroeléctrica a altas temperaturas en al menos uno de estos contactos, en algún momento ocurrirá una reacción química no deseada. Entonces, cuando puedes hacer cosas a bajas temperaturas, puedes integrarlos mucho más fácilmente ".

El siguiente paso para los nuevos materiales es convertirlos en capacitadores de aproximadamente 10 nanómetros de espesor y de 20 a 30 nanómetros de dimensiones laterales. que es un desafío de ingeniería difícil. Los investigadores deben crear una forma de controlar el crecimiento de los materiales para que no haya problemas como imperfecciones en los materiales. Trolier-McKinstry dijo que resolver estos problemas será clave para determinar si estos materiales se pueden utilizar en nuevas tecnologías:teléfonos móviles con chips que consumen mucha menos energía, permitiendo un funcionamiento sostenido durante una semana o más.

"Al desarrollar nuevos materiales, tienes que averiguar cómo fallan, y luego comprender cómo mitigar esos mecanismos de falla, ", Dijo Trolier-McKinstry." Y para cada aplicación, debe decidir cuáles son las propiedades esenciales, y cómo evolucionarán con el tiempo. Y hasta que haya tomado algunas medidas al respecto, no sabes cuáles serán los grandes desafíos, y la confiabilidad y la capacidad de fabricación son enormes en términos de si este material termina en su teléfono celular en cinco años ".