Investigadores del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Technion lograron cambiar las propiedades eléctricas de un material al eliminar un átomo de oxígeno de la estructura original. Las posibles aplicaciones incluyen la miniaturización de dispositivos electrónicos y la detección de radiación.

¿Qué tienen en común las imágenes de ultrasonido de un feto, la comunicación móvil celular, los micromotores y las memorias de computadora de bajo consumo de energía? Todas estas tecnologías se basan en materiales ferroeléctricos, que se caracterizan por una fuerte correlación entre su estructura atómica y las propiedades eléctricas y mecánicas.

Los investigadores del Technion-Israel Institute of Technology lograron cambiar las propiedades de los materiales ferroeléctricos al eliminar un solo átomo de oxígeno de la estructura original. El avance podría allanar el camino para el desarrollo de nuevas tecnologías. La investigación estuvo encabezada por el Profesor Asistente Yachin Ivry del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales, acompañado por el investigador postdoctoral Dr. Hemaprabha Elangovan y Ph.D. estudiante Maya Barzilay, y fue publicado en ACS Nano . Se observa que diseñar una vacante de oxígeno individual plantea un desafío considerable debido al peso ligero de los átomos de oxígeno.

En los materiales ferroeléctricos, un ligero desplazamiento de los átomos provoca cambios significativos en el campo eléctrico y en la contracción o expansión del material. Este efecto es el resultado del hecho de que la unidad repetitiva básica en el material contiene átomos que están organizados en una estructura asimétrica.

Para explicar esto más a fondo, los investigadores utilizan el material ferroeléctrico seminal, el titanato de bario, cuyos átomos forman una estructura reticular de forma cúbica. En estos materiales ocurre un fenómeno único:el átomo de titanio se separa de los átomos de oxígeno. Dado que el titanio tiene carga positiva y el oxígeno tiene carga negativa, esta separación crea polarización o, en otras palabras, un momento dipolar eléctrico.

Una red cúbica tiene seis caras, por lo que los átomos cargados se mueven en una de seis posibilidades. En diferentes partes del material, una gran cantidad de átomos vecinos se desplazan en la misma dirección y la polarización en cada una de esas áreas, que se conoce como dominio ferroeléctrico, es uniforme. Las tecnologías tradicionales se basan en el campo eléctrico creado en esos dominios. Sin embargo, en los últimos años, se ha realizado un gran esfuerzo para minimizar el tamaño del dispositivo y utilizar los bordes, o paredes, entre los dominios en lugar de los dominios mismos, y así convertir los dispositivos de estructuras tridimensionales a estructuras bidimensionales. estructuras.

La comunidad investigadora se ha mantenido dividida en cuanto a lo que sucede en el mundo bidimensional de los muros de dominio:¿Cómo se estabiliza la frontera entre dos dominios con diferente polarización eléctrica? ¿La polarización en las paredes del dominio es diferente a la polarización en los dominios mismos? ¿Se pueden controlar las propiedades del muro de dominio de forma localizada? El gran interés en abordar estas cuestiones se deriva del hecho de que un material ferroeléctrico en su forma natural es un excelente aislante eléctrico. Sin embargo, las paredes del dominio pueden ser conductoras de electricidad, formando así un objeto bidimensional que se puede controlar a voluntad. Este fenómeno abarca el potencial para reducir significativamente el consumo de energía de los dispositivos de almacenamiento y procesamiento de datos.

En este proyecto, los investigadores lograron descifrar la estructura atómica y el despliegue del campo eléctrico en las paredes del dominio a escala atómica. En su artículo reciente, corroboran la suposición de que los muros de dominio permiten la existencia de una frontera bidimensional entre dominios como resultado de la vacancia parcial de oxígeno en áreas que son comunes a dos dominios, lo que permite una mayor flexibilidad en el despliegue del local. campo eléctrico. Lograron inducir por ingeniería una vacante de átomo de oxígeno individual y demostraron que esta acción crea dipolos opuestos y una mayor simetría eléctrica, una estructura topológica única llamada cuadrupolo.

Con la ayuda de simulaciones por computadora realizadas por Shi Liu de la Universidad de Westlake en China, los investigadores demostraron que la ingeniería de la vacante del átomo de oxígeno tiene un gran impacto en las propiedades eléctricas del material no solo a escala atómica, sino también a la escala que es relevante. a dispositivos electrónicos, por ejemplo, en términos de conductividad eléctrica. La importancia es que el logro científico actual probablemente ayude a miniaturizar dispositivos de este tipo, así como a reducir su consumo de energía.

En colaboración con investigadores del Centro de Investigación Nuclear de Negev, el grupo de investigación Technion también demostró que las vacantes de oxígeno se pueden modificar mediante la exposición del material a la radiación electrónica. En consecuencia, además del potencial tecnológico del descubrimiento en electrónica, también puede ser posible utilizar el efecto para detectores de radiación, lo que permite la detección temprana y la prevención de accidentes nucleares, como el ocurrido en 2011 en Fukushima. , Japón + Explora más

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