En los últimos años, una clase de materiales llamados antiferroeléctricos se ha estudiado cada vez más por sus posibles aplicaciones en los dispositivos de memoria de las computadoras modernas. La investigación ha demostrado que las memorias basadas en antiferroeléctricos pueden tener una mayor eficiencia energética y velocidades de lectura y escritura más rápidas que las memorias convencionales, entre otros atractivos atributos. Además, los mismos compuestos que pueden exhibir un comportamiento antiferroeléctrico ya están integrados en los procesos de fabricación de chips semiconductores existentes.

Ahora, un equipo dirigido por investigadores de Georgia Tech ha descubierto un comportamiento inesperadamente familiar en el material antiferroeléctrico conocido como dióxido de circonio o zirconia. Muestran que, a medida que la microestructura del material se reduce de tamaño, se comporta de manera similar a materiales mucho más conocidos conocidos como ferroeléctricos. Los hallazgos se publicaron recientemente en la revista Advanced Electronic Materials .

La miniaturización de los circuitos ha desempeñado un papel clave en la mejora del rendimiento de la memoria durante los últimos cincuenta años. Saber cómo las propiedades de un cambio antiferroeléctrico con tamaño reducido debería permitir el diseño de componentes de memoria más efectivos.

Los investigadores también señalan que los hallazgos deberían tener implicaciones en muchas otras áreas además de la memoria.

"Los antiferroeléctricos tienen una variedad de propiedades únicas, como alta confiabilidad, resistencia de alto voltaje y amplias temperaturas de funcionamiento, que los hacen útiles en una gran cantidad de dispositivos diferentes, incluidos capacitores de alta densidad de energía, transductores y circuitos electroópticos". dijo Nazanin Bassiri-Gharb, coautor del artículo y profesor en la Escuela de Ingeniería Mecánica Woodruff y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Georgia Tech. "Pero los efectos de escala de tamaño habían pasado desapercibidos durante mucho tiempo".

"Puede diseñar su dispositivo y hacerlo más pequeño sabiendo exactamente cómo funcionará el material", dijo Asif Khan, coautor del artículo y profesor asistente en la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática y la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales en Georgia. tecnología "Desde nuestro punto de vista, abre realmente un nuevo campo de investigación".

Campos duraderos

La característica definitoria de un material antiferroeléctrico es la forma peculiar en que responde a un campo eléctrico externo. Esta respuesta combina características de materiales ferroeléctricos y no ferroeléctricos, que se han estudiado mucho más intensamente en la física y la ciencia de los materiales.

Para los ferroeléctricos, la exposición a un campo eléctrico externo de suficiente fuerza hace que el material se polarice fuertemente, que es un estado en el que el material exhibe su propio campo eléctrico interno. Incluso cuando se elimina el campo eléctrico externo, esta polarización persiste, de forma similar a como un clavo de hierro puede magnetizarse permanentemente.

El comportamiento de un material ferroeléctrico también depende de su tamaño. A medida que una muestra de material se adelgaza, se requiere un campo eléctrico más fuerte para crear una polarización permanente, de acuerdo con una ley precisa y predecible llamada ley de Janovec-Kay-Dunn (JKD).

Por el contrario, la aplicación de un campo eléctrico externo a un antiferroeléctrico no hace que el material se polarice, al principio. Sin embargo, a medida que aumenta la fuerza del campo externo, un material antiferroeléctrico finalmente cambia a una fase ferroeléctrica, donde la polarización se establece abruptamente. El campo eléctrico necesario para cambiar la fase antiferroeléctrica a ferroeléctrica se denomina campo crítico.

Escala de tamaño

En el nuevo trabajo, los investigadores descubrieron que los antiferroeléctricos de zirconia también obedecen algo así como una ley JKD. Sin embargo, a diferencia de los ferroeléctricos, la microestructura del material juega un papel clave. La fuerza de las escalas de campo crítico en el patrón JKD específicamente con respecto al tamaño de las estructuras conocidas como cristalitos dentro del material. Para un tamaño de cristalito más pequeño, se necesita un campo crítico más fuerte para cambiar un material antiferroeléctrico a su fase ferroeléctrica, incluso si la delgadez de la muestra sigue siendo la misma.

"No ha habido una ley predictiva que dicte cómo cambiará el voltaje de conmutación a medida que se miniaturizan estos dispositivos de óxido antiferroeléctrico", dijo Khan. "Hemos encontrado un nuevo giro en una antigua ley".

Anteriormente, los antiferroeléctricos delgados habían sido difíciles de producir en tamaños comparables a los ferroeléctricos, dijeron los investigadores. Nujhat Tasneem, el estudiante de doctorado que lideró la investigación, pasó "día y noche" en el laboratorio según Khan para procesar y producir películas de óxido de circonio antiferroeléctrico sin fugas de un solo nanómetro de tamaño. El siguiente paso, según Khan, es que los investigadores descubran exactamente cómo controlar el tamaño de los cristalitos, adaptando así las propiedades del material para su uso en los circuitos.

El investigador también colaboró ​​con investigadores de la Universidad Charles en República Checa y la Universidad Andrés Bello en Chile para la caracterización de difracción de rayos X y cálculos basados ​​en primeros principios, respectivamente.

"Fue realmente un esfuerzo de colaboración que abarcó varios continentes", dijo Tasneem.

Los resultados también deberían hablar de cuestiones de física fundamental, según Bassiri-Gharb. En los últimos años, ha surgido algo misterioso en el estudio de la antiferroeléctrica, y se ha puesto en duda la forma en que las estructuras cristalinas microscópicas provocan una polarización macroscópica.

"Encontrar dos tipos muy diferentes de materiales, ferroeléctricos y antiferroeléctricos con diferentes estructuras atómicas, para seguir comportamientos y leyes similares es particularmente emocionante", dijo Bassiri-Gharb. "Abre puertas para buscar más similitudes y transferir más de nuestro conocimiento a través de los campos". + Explora más

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