La microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica (PFM) es la técnica más extendida para caracterizar las propiedades piezoeléctricas a nanoescala, es decir., para determinar la capacidad de algunos materiales para generar electricidad cuando se someten a esfuerzos mecánicos y se deforman en respuesta a un voltaje. La piezoelectricidad se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas las ecografías del embarazo, motores de inyección, sensores que miden deformaciones, actuadores y sonar, entre otros. La microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica no solo determina si un material es piezoeléctrico, sino también su grado de piezoelectricidad, y es particularmente importante para las aplicaciones de estos materiales en microelectrónica y nanotecnología.

Ahora, un equipo de investigadores del Laboratorio de Métodos Computacionales y Análisis Numérico (LaCàN) de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) y del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) ha demostrado teórica y experimentalmente que la técnica PFM puede generar falsas positivos cuando la piezoelectricidad de un material se mide a nanoescala. La técnica PFM consiste en aplicar un voltaje a la superficie de un material a través de una punta conductora de electricidad en un microscopio de fuerza atómica (AFM). La propia punta microscópica detecta la deformación del material en respuesta al voltaje; el coeficiente piezoeléctrico se obtiene dividiendo la deformación por la tensión. Los investigadores muestran, sin embargo, que la aplicación de un voltaje con una punta nanoscópica puede generar deformaciones en cualquier material, sean piezoeléctricas o no. En otras palabras, cualquier material medido con un microscopio de fuerza de respuesta piezoeléctrica da un coeficiente piezoeléctrico distinto de cero, incluso si no es piezoeléctrico.

La causa de este curioso comportamiento es la flexoelectricidad, un fenómeno que ocurre a nanoescala por el cual todo material emite un pequeño voltaje cuando se le aplica una presión no homogénea, o se deforma cuando se le aplica un campo eléctrico no homogéneo. Ese es precisamente el tipo de campo generado por puntas microscópicas.

La flexoelectricidad no solo puede hacer que un material parezca piezoeléctrico erróneamente, pero también puede alterar el coeficiente piezoeléctrico de los materiales que son piezoeléctricos. Esto tiene consecuencias muy importantes para la caracterización de dispositivos piezoeléctricos en microelectrónica. Los resultados implican que a partir de ahora, las mediciones realizadas con PFM para caracterizar los materiales en estos dispositivos deben tener en cuenta el efecto de la flexoelectricidad.

"Estamos estudiando la flexoelectricidad desde el punto de vista computacional, que involucra muchas manifestaciones fundamentales de la física, "explica la investigadora de LaCàN Irene Arias, agregando, "Hemos descubierto que la técnica PFM puede presentar falsos positivos porque no solo mide la piezoelectricidad, es decir, la respuesta a un campo eléctrico, pero también flexoelectricidad. Hemos desarrollado un modelo que nos permite cuantificar estas respuestas y, por lo tanto, para separar la parte piezoeléctrica de la parte flexoeléctrica ".