Los ferroeléctricos son una clase especial de materiales que pueden cambiar entre dos estados de polarización eléctrica opuestos aplicando un campo eléctrico externo. Esta propiedad los hace ideales para su uso en una variedad de dispositivos electrónicos, como chips de memoria y sensores.
En los últimos años, ha habido un interés creciente en el desarrollo de ferroeléctricos orgánicos como alternativa a los óxidos inorgánicos. Los ferroeléctricos orgánicos tienen una serie de ventajas sobre los óxidos inorgánicos, incluida su flexibilidad, bajo costo y facilidad de procesamiento. Sin embargo, los ferroeléctricos orgánicos suelen ser menos eficientes y estables que sus homólogos inorgánicos.
El nuevo material ferroeléctrico orgánico desarrollado por el equipo dirigido por OIST se basa en una molécula llamada [N-(4-bromobencil)-2,5-dimetilpirrol-3-carboxamida]. Esta molécula es miembro de una clase de compuestos conocidos como "triazoles", que han demostrado tener propiedades ferroeléctricas prometedoras.
Los investigadores descubrieron que el nuevo material ferroeléctrico orgánico a base de triazol tenía una constante dieléctrica alta, que es una medida de su capacidad para almacenar energía eléctrica. El material también exhibió un alto grado de polarización, que es una medida de su capacidad para cambiar entre sus dos estados de polarización eléctrica opuestos.
Además, se descubrió que el nuevo material ferroeléctrico orgánico era estable a altas temperaturas y bajo campos eléctricos elevados. Esto lo convierte en un candidato prometedor para su uso en dispositivos electrónicos que funcionan en condiciones difíciles.
El desarrollo de este nuevo material ferroeléctrico orgánico supone un importante paso adelante en el campo de la electrónica orgánica. Este material podría utilizarse potencialmente en una variedad de dispositivos electrónicos, como chips de memoria, sensores y dispositivos de almacenamiento de energía.
Un equipo de investigación dirigido por el profesor Takeharu Sakurai de la Unidad de Óptica No Lineal de la Unidad de Materiales y Dispositivos de OIST investigó una pequeña molécula orgánica y descubrió que tenía una alta polarización eléctrica. El resultado proporciona una fuerte indicación de que el material podría convertirse en un ferroeléctrico orgánico. La ferroelectricidad es un fenómeno en el que la polarización eléctrica espontánea de un material se puede invertir, a menudo aplicando un campo eléctrico. Por ejemplo, los materiales ferroeléctricos se utilizan ampliamente en condensadores, que almacenan cargas eléctricas o energía eléctrica, y en sensores que detectan cambios de aceleración, movimiento o temperatura.
Aunque las moléculas orgánicas poseen interesantes propiedades electrónicas, magnéticas, optoelectrónicas y mecánicas, los ferroeléctricos orgánicos han sido difíciles de sintetizar debido a sus estructuras cristalinas, que impiden la formación de polarización eléctrica espontánea.
Los óxidos ferroeléctricos se utilizan convencionalmente, pero normalmente son materiales inorgánicos compuestos de iones metálicos y oxígeno, son difíciles de procesar y vulnerables a fuerzas externas. El desarrollo de un ferroeléctrico orgánico compuesto de carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, azufre y otros elementos potencialmente resolvería estos problemas.
Sin embargo, el equipo dirigido por el profesor Sakurai utilizó una pequeña molécula orgánica llamada [N-(4-bromobencil)-2,5-dimetilpirrol-3-carboxamida] con una estructura en capas bidimensional y logró sintetizar el ferroeléctrico orgánico. El material sintetizado muestra una alta polarización eléctrica de aproximadamente 8 microculombios por centímetro cuadrado (μC/cm2) con un campo eléctrico aplicado de 104 voltios por micrómetro (V/μm).
A modo de comparación, el equipo de investigación evaluó ferroeléctricos orgánicos e inorgánicos informados anteriormente y descubrió que el ferroeléctrico orgánico sintetizado exhibe una polarización eléctrica suficientemente alta. Aunque la polarización eléctrica del material sintetizado es aún menor que la de los ferroeléctricos de óxidos inorgánicos ampliamente utilizados, es del mismo orden que la de los polímeros, que son materiales electrónicos orgánicos ampliamente utilizados.
El profesor Sakurai pretende mejorar aún más la polarización eléctrica del ferroeléctrico orgánico modificando la estructura del material y utilizando dopantes. "Para lograr una polarización eléctrica comparable o mejor que los ferroeléctricos de óxidos inorgánicos ampliamente utilizados, probablemente llevará algo más de tiempo", dice Sakurai. "Sin embargo, somos optimistas acerca de nuestro material ferroeléctrico recientemente desarrollado, que podría usarse como condensador, sensor/actuador piezoeléctrico o como componente de dispositivos de memoria orgánica no volátil en el futuro".
