Cuando un mago de repente quita un mantel de una mesa llena de platos y vasos, hay un momento de suspenso mientras el público se pregunta si el escenario pronto estará lleno de vidrios rotos. Hasta ahora, un dilema análogo se había enfrentado a los científicos que trabajaban con burbujas eléctricas especiales para crear la próxima generación de dispositivos microelectrónicos y de almacenamiento de energía flexibles.

Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto una nueva forma de hacer una versión a escala atómica del truco del mantel despegando películas delgadas de heteroestructura que contienen burbujas eléctricas de un material subyacente particular, o sustrato, mientras se mantienen totalmente intacto. El descubrimiento puede acercarnos un paso más a una gran cantidad de aplicaciones que dependen de estas estructuras frágiles e inusuales.

"Puedes pensar en ello como si trataras de quitar una casa de sus cimientos. Normalmente, pensarías que la casa se derrumbaría, pero descubrimos que conservaba todas sus propiedades", dijo Saidur Bakaul, científico de materiales de Argonne

"Las burbujas son muy frágiles e inicialmente necesitan materiales subyacentes particulares, llamados sustratos, y condiciones específicas para hacer crecer películas con ellas", dijo Saidur Bakaul, científico de materiales de Argonne. "Hay muchos materiales de interés para nosotros para los que estas burbujas podrían ser extremadamente útiles, como los plásticos. Sin embargo, no hemos podido cultivarlas directamente sobre estos materiales. Nuestra investigación es el paso inicial para hacer posibles las burbujas allí".

Las burbujas eléctricas se encuentran en una estructura ultrafina de tres capas con propiedades eléctricas alternas:ferroeléctrica, luego dieléctrica y luego nuevamente ferroeléctrica. Las burbujas en esta estructura multicapa están hechas de dipolos especialmente ordenados o cargas eléctricas hermanadas. La orientación de estos dipolos se basa en la tensión local en el material y las cargas en la superficie que hacen que los dipolos busquen su estado de energía más bajo relativo. Eventualmente, las burbujas eléctricas (dominios de burbujas) se forman pero solo cuando se cumplen ciertas condiciones. También se distorsionan fácilmente incluso con fuerzas pequeñas.

En el experimento, los colegas de Bakaul en la Universidad de Nueva Gales del Sur primero hicieron crecer las burbujas en una película ultrafina de heteroestructura sobre un sustrato de titanato de estroncio, uno de los materiales más fáciles para crearlas. Luego, Bakaul se enfrentó al desafío de eliminar la heteroestructura del sustrato mientras retenía las burbujas. "Puedes pensar en ello como si trataras de quitar una casa de sus cimientos", dijo. "Normalmente, uno pensaría que la casa se derrumbaría, pero descubrimos que conservaba todas sus propiedades".

Los dominios de burbuja son pequeños. Tienen solo unos 4 nanómetros de radio, tan anchos como una hebra de ADN humano. Por lo tanto, son difíciles de ver. En la división de ciencia de materiales de Argonne, las técnicas avanzadas de microscopía de sonda de barrido con análisis de transformada de Fourier permiten a los científicos no solo verlos, sino también cuantificar sus propiedades en las películas independientes.

Para establecer que los dominios de las burbujas permanecieron intactos, Bakaul midió sus propiedades electrónicas (capacitancia) y piezoeléctricas a través de dos técnicas de microscopía:microscopía de impedancia de microondas de barrido y microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica. Si las burbujas se hubieran desintegrado, la capacitancia habría cambiado bajo un voltaje aplicado, pero Bakaul vio que se mantuvo relativamente estable hasta un voltaje bastante alto.

Estos experimentos validaron estimaciones numéricas de capacitancia obtenidas de análisis teóricos que Bakaul y su alumno desarrollaron al combinar simulaciones atomísticas con teoría de circuitos. "La combinación de experimentación y simulación demostró de manera concluyente que estas burbujas son capaces de vivir incluso cuando se eliminan del sustrato original. Eso era algo que esperábamos lograr durante mucho tiempo", dijo Bakaul.

Cuando se eliminaron las burbujas, la película de heteroestructura, que antes estaba plana como un mantel, de repente asumió una apariencia ondulada. Si bien Bakaul señaló que muchos podrían suponer que este cambio afectaría las propiedades de las burbujas, descubrió que las burbujas en realidad estaban protegidas por un cambio en el voltaje incorporado de los materiales. Las simulaciones atómicas realizadas por los colegas de Bakaul en la Universidad de Arkansas sugirieron que la energía elástica en las interfaces libres es el origen de la formación de ondas.

El resultado es emocionante, según Bakaul, porque estas burbujas tienen propiedades eléctricas y mecánicas inusuales e intrigantes. "Las burbujas ferroeléctricas son objetos a nanoescala recién descubiertos", dijo. "Existe un consenso en la comunidad de que pueden tener muchas aplicaciones. Por ejemplo, la transformación de estas burbujas da como resultado una respuesta electromecánica inusualmente alta, que puede tener aplicaciones en una amplia gama de dispositivos en microelectrónica y aplicaciones energéticas".

Aunque es la física y no la magia lo que ha creado una nueva vía potencial para la integración de estas burbujas, Bakaul indicó que las nuevas tecnologías basadas en ellas podrían tener un impacto transformador. "Ya sea que estemos hablando de recolectores de energía o supercomputadoras, estas burbujas podrían marcar una gran diferencia para muchos materiales y aplicaciones diferentes", dijo.

Se publicó un artículo basado en la investigación en la edición del 19 de septiembre de Advanced Materials. + Explora más

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