Los científicos han determinado las propiedades de un material en forma de película delgada que utiliza un voltaje para cambiar de forma y viceversa. Su progreso une la comprensión a nanoescala y microescala, abriendo nuevas posibilidades para tecnologías futuras.
En la tecnología electrónica, las propiedades clave de los materiales cambian en respuesta a estímulos como el voltaje o la corriente. Los científicos pretenden comprender estos cambios en términos de estructura material a escala nanométrica (unos pocos átomos) y microescala (grosor de una hoja de papel). A menudo se pasa por alto la región intermedia, la mesoescala, que abarca entre 10 milmillonésimas y 1 millonésimas de metro.
Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), en colaboración con la Universidad Rice y el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE, han logrado avances significativos en la comprensión de las propiedades de mesoescala de un material ferroeléctrico bajo un campo eléctrico. Estos avances han hecho posibles avances en la memoria de las computadoras, láseres para instrumentos científicos y sensores para mediciones ultraprecisas.
El material ferroeléctrico es un óxido que contiene una mezcla compleja de plomo, magnesio, niobio y titanio. Los científicos llaman a este material un ferroeléctrico de relajación. Se caracteriza por pequeños pares de cargas positivas y negativas, o dipolos, llamados “nanodominios polares”. Bajo un campo eléctrico, estos dipolos se alinean en la misma dirección, lo que hace que el material cambie de forma o se deforme. De manera similar, aplicar una tensión puede cambiar la dirección del dipolo, creando un campo eléctrico.
“Si se analiza un material a nanoescala, sólo se puede conocer la estructura atómica promedio dentro de una región muy pequeña”, dice el físico Yu Kao de Argonne. “Pero los materiales no son necesariamente uniformes y no todas las piezas responden a los campos eléctricos de la misma manera. Aquí es donde la mesoescala une la nanoescala con la microescala para pintar una imagen más completa”.
El grupo del profesor Len Martin de la Universidad Rice desarrolló un dispositivo completamente funcional basado en un ferroeléctrico relajado para probar el material en condiciones operativas. Su componente principal es una película delgada (55 nanómetros) de relajante ferroeléctrico intercalada entre capas a nanoescala que actúan como electrodos para aplicar un voltaje y generar un campo eléctrico.
Utilizando líneas de luz en los sectores 26-ID y 33-ID de la Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne, los miembros del equipo de Argonne mapearon estructuras de mesoescala dentro del relajante. La clave para el éxito de este experimento fue una capacidad especial llamada nanodifracción coherente de rayos X, disponible a través de la nanosonda de rayos X duros (línea de haz 26-ID) operada por Argonne y el Centro de Materiales a Nanoescala de APS. Ambas son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Los resultados muestran que, bajo un campo eléctrico, los nanodominios se autoensamblan en estructuras de mesoescala que consisten en dipolos alineados en un patrón complejo similar a un mosaico (ver figura). El equipo identificó ubicaciones de tensión a lo largo de los límites de este patrón y áreas que respondían más fuertemente al campo eléctrico.
“Estas estructuras submicroescala representan una nueva forma de autoensamblaje de nanodominios no conocida anteriormente”, señaló John Mitchell, miembro distinguido de Argonne. “Sorprendentemente, podemos rastrear su origen hasta los movimientos atómicos subyacentes a nanoescala; ¡eso es genial!”
“Nuestros conocimientos sobre las estructuras de mesoescala proporcionan un nuevo enfoque para el diseño de pequeños dispositivos electromecánicos que funcionan de formas que antes no eran posibles”, dijo Martin.
“Los haces de rayos X más brillantes y coherentes que ahora son posibles con la reciente actualización de APS nos ayudarán a mejorar aún más el dispositivo”, dijo Hao Zheng, autor principal del estudio y científico de líneas de luz en APS. “Luego podremos evaluar si el dispositivo tiene aplicaciones para microelectrónica energéticamente eficiente, como la computación neuromórfica modelada en el cerebro humano”. La microelectrónica de bajo consumo es esencial para satisfacer la creciente demanda de energía de los dispositivos electrónicos en todo el mundo, incluidos teléfonos celulares, computadoras de escritorio y supercomputadoras.
Este estudio se reporta ciencia. Además de Cao, Martin, Mitchell y Zheng, los autores incluyen a Tao Zhou, Dina Schaeffer, Jiyun Kim, Jiob Kim, Travis Fraser, Zhongho Cai, Martin Holt y Zhang Zhang.
La financiación para la investigación provino de la Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE y la Fundación Nacional de Ciencias.