El estrés mejora las propiedades de un material prometedor para tecnologías futuras.

Los investigadores de la UNSW han encontrado un nuevo estado exótico de uno de los materiales multiferroicos más prometedores, con interesantes implicaciones para las tecnologías futuras que utilizan estas propiedades mejoradas.

Combinando un cuidadoso equilibrio de tensión de película delgada, distorsión y espesor, el equipo ha estabilizado una nueva fase intermedia en uno de los pocos materiales multiferroicos a temperatura ambiente conocidos.

El estudio teórico y experimental estadounidense-australiano muestra que esta nueva fase tiene una figura de mérito electromecánico superior al doble de su valor habitual. y que incluso podemos transformarnos entre esta fase intermedia a otras fases fácilmente utilizando un campo eléctrico.

Además de proporcionar una técnica nueva y valiosa al conjunto de herramientas de todos los científicos de materiales internacionales que trabajan con multiferroics y epitaxia, Los resultados finalmente arrojan luz sobre cómo se pueden utilizar las técnicas epitaxiales para mejorar la respuesta funcional de los materiales para su futura aplicación en dispositivos de próxima generación.

El estrés lo cambia todo

Si 2020-21 nos ha enseñado algo, es que el estrés lo cambia todo. Incluso la persona más "unida" puede luchar y cambiar si hay suficiente estrés en su vida.

Lo mismo se aplica a los cristales, también. Cuando aplicamos estrés a los cristales, se tensan y pueden cambiar su estructura y propiedades físicas drásticamente. La tensión impuesta sobre un material generalmente empuja o separa a lo largo de (al menos) un eje, creando tensión de compresión y tracción.

El esfuerzo de las películas delgadas sobre los sustratos hace que los componentes básicos de la película se deformen para coincidir con los tamaños de los componentes básicos del sustrato vecino. Si las unidades estructurales del sustrato son más grandes que las de la película delgada (el cuadrado azul), la película (contorno blanco) se estirará horizontalmente (es decir, "tensión de tracción") y comprimir verticalmente para ajustar.

Por otra parte, una celda de estructura de sustrato más pequeña (cuadrado verde) hará que la estructura de la película se comprima horizontalmente ("deformación por compresión") y se estire verticalmente.

"En nuestra investigación, aplicamos tensión anisotrópica a nuestra película. Esto significa que la tensión aplicada es diferente según la dirección en la que mire, y esto puede crear estados de deformación complicados que fuercen a las películas a entrar en nuevas fases, "dice el primer autor Oliver Paull (UNSW).

BiFeO ₃ (o BFO) cuenta con un impresionante currículum de propiedades multifuncionales, incluida la piezoelectricidad, ferroelectricidad, magnetismo y propiedades ópticas.

BFO es posiblemente el material magnetoeléctrico más popular para los investigadores (es decir, un material que tiene un orden tanto magnético como eléctrico que puede influirse entre sí).

Los materiales magnetoeléctricos son muy interesantes para la espintrónica y las aplicaciones de memoria, ya que el acoplamiento entre el magnetismo y la ferroelectricidad promete tecnologías de baja energía. (Escribir datos con un campo eléctrico es mucho más eficiente que escribir con un campo magnético).

El BFO ​​no solo es magnetoeléctrico, pero es uno de los pocos materiales que es magnetoeléctrico a temperatura ambiente, haciéndolo viable para su uso en aplicaciones como la electrónica futura de baja energía, sin necesidad de crioenfriamiento de alto consumo energético.

Solo muy pocos materiales multiferroicos (es decir, materiales que tienen orden magnético y eléctrico) exhiben estas propiedades útiles a temperatura ambiente.

Además de esto, BFO cuenta con otras propiedades funcionales:piezoelectricidad, ferroelectricidad, efectos fotovoltaicos, y más. También es libre de plomo dándole una clara ventaja frente a la mayoría de los materiales piezoeléctricos de alto rendimiento, que, lamentablemente, contienen plomo tóxico.

Materiales piezoeléctricos, que puede convertir la presión mecánica en energía eléctrica, tienen amplias aplicaciones como sensores de ultra alta sensibilidad en dispositivos como sensores de movimiento de teléfonos inteligentes y marcapasos (donde evitar materiales tóxicos es una ventaja).

Al utilizar sustratos muy mal cortados, El equipo de investigación llevó a BFO a una nueva fase que es esencialmente el vínculo entre las conocidas fases de tipo romboédrico y tetragonal.

Esta, junto con las propiedades relacionadas con la simetría de la fase, permite que sea fácilmente influenciado por campos eléctricos.

"Revisamos la literatura y descubrimos que todos usan orientaciones de sustrato comerciales bastante estándar, ", dice el investigador principal Daniel Sando." Pedimos a nuestros proveedores que hicieran a medida diferentes orientaciones de cortes incorrectos entre las orientaciones estándar, lo que condujo al descubrimiento de la nueva fase. Nos preguntamos si la razón por la que la gente no había hecho esto antes es que la cristalografía relacionada con estos cortes es bastante compleja y puede resultar intimidante ".

La colaboración internacional entre investigadores del Oak Ridge National Lab, Universidad de Arkansas, y la Universidad de Monash, utilizó cálculos teóricos y un conjunto de técnicas experimentales para demostrar que esta nueva fase tiene una respuesta electromecánica mucho más alta que el BFO ​​tradicional.

"Además, mostramos una fuerte evidencia de que esta fase de baja simetría se puede convertir en una fase de mayor simetría utilizando un campo eléctrico, y como resultado puede mejorar la respuesta electromecánica aún más en un factor de 3, "dice Oliver Paull.

Una herramienta multipropósito:aplicar el enfoque a una amplia gama de materiales de óxido

Uno de los aspectos más atractivos de este descubrimiento es su metodología general y su aplicabilidad a una amplia clase de sistemas de materiales.

"Elegimos centrarnos en BiFeO ₃ debido a su ferroeléctrico, magnético, y propiedades piezoeléctricas, pero el enfoque se aplica fácilmente a otros óxidos de perovskita, "dice Oliver Paull.

"Actualmente estamos explorando el efecto de estos sustratos de alto índice en sistemas puramente ferroeléctricos o magnéticos, pero las posibilidades de utilizar esta técnica son enormes. Esperamos encontrar fases de baja simetría de materiales ópticamente interesantes, así como nuevos arreglos de dominio en ferroeléctricos, para nombrar unos pocos, "señaló Laurent Bellaiche, el líder teórico del proyecto ".

"Si estás lidiando con la epitaxia, entonces esta técnica anisotrópica podría resultar muy fructífera para su investigación, "dice Daniel Sando.

"Este estudio es solo el comienzo. Planeamos combinar este enfoque de epitaxia anisotrópica para superredes de óxido (capas repetidas de diferentes composiciones, es decir, A-B-A-B, etc.), además de combinar las estructuras cristalinas de baja simetría con otras rutas establecidas para mejorar la respuesta piezoeléctrica, incluida la sustitución con elementos de tierras raras, por ejemplo. Finalmente, dado que el BFO ​​es multiferroico, tenemos una serie de estudios magnéticos planeados para esta nueva fase de baja simetría ", dice el líder del laboratorio de la UNSW, Nagy Valanoor.

Hay aplicaciones posibles aún más amplias:Los piezoeléctricos utilizados en sensores y actuadores son típicamente compuestos a base de plomo a granel. Si bien el nuevo enfoque es de nicho y está muy orientado a la investigación, Podría haber margen para que los nuevos métodos funcionen en industrias como los nanoactuadores o los sensores. El aspecto clave es el uso del enfoque de epitaxia anisotrópica para 1) generar una fase de baja simetría, y 2) facilitar mejoras en la respuesta; en este caso, el coeficiente piezoeléctrico.

"Estabilización epitaxial anisotrópica de un ferroeléctrico de baja simetría con respuesta electromecánica mejorada" se publicó en Materiales de la naturaleza en septiembre de 2020.