¿Ferroeléctricos en todas partes? La nueva grupo de materiales ferroeléctricos aumenta las posibilidades de mejorar el almacenamiento de información y energía

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Una nueva familia de materiales que podría conducir a un mejor almacenamiento de información digital y usar menos energía puede ser posible gracias a un equipo de investigadores de Penn State que han demostrado ferroelectricidad en óxido de zinc sustituido con magnesio.

Los materiales ferroeléctricos se polarizan eléctricamente de manera espontánea porque las cargas negativas y positivas en el material tienden a lados opuestos y se reorientan con la aplicación de un campo eléctrico externo. Pueden verse afectados por la fuerza física, por lo que son útiles para encendedores de botón como los que se encuentran en las parrillas de gas. También se pueden utilizar para almacenamiento de datos y memoria, porque permanecen en un estado polarizado sin energía adicional y, por lo tanto, son soluciones de almacenamiento digital de bajo consumo de energía.

«Hemos identificado una nueva familia de materiales a partir de los cuales podemos hacer pequeños condensadores y podemos establecer su orientación de polarización para que su carga superficial sea positiva o negativa», dijo Jon-Paul Maria, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. y coautor del artículo publicado en Revista de física aplicada. «Esta configuración no es volátil, lo que significa que podemos configurar el capacitor en más, y permanece encendido más, podemos configurarlo en menos, permanece en menos. Y luego podemos volver atrás e identificar cómo configuramos ese capacitor, como una hora. «

Esta capacidad podría permitir una forma de almacenamiento digital que no utilice la misma cantidad de electricidad que otras formas.

«Este tipo de almacenamiento no requiere energía adicional», dijo María. «Y esto es importante porque muchas de las memorias de las computadoras que usamos hoy requieren electricidad adicional para respaldar la información y usamos una parte sustancial del presupuesto de energía de los EE. UU. Para obtener información».

Los nuevos materiales están hechos con películas delgadas de óxido de zinc sustituido por magnesio. La película se hizo crecer por deposición catódica, un proceso en el que los iones de argón se aceleran a los materiales objetivo, impactando con suficiente energía para liberar los átomos del objetivo que contiene magnesio y zinc. Los átomos de magnesio y zinc liberados viajan en la fase de vapor hasta que reaccionan con el oxígeno y se acumulan en un sustrato de óxido de aluminio recubierto de platino y forman películas delgadas.

Los investigadores estudiaron el óxido de zinc sustituido con magnesio como un método para aumentar la banda prohibida del óxido de zinc, una característica clave del material que es importante para crear semiconductores. Sin embargo, el material nunca ha sido explorado por ferroelectricidad. Sin embargo, los investigadores creían que el material podría hacerse ferroeléctrico, basándose en una idea de «ferroeléctricos en todas partes» postulada por Maria y Susan Trolier-McKinstry, profesora de la Universidad Evan Pugh, profesora de ciencia e ingeniería de la cerámica Steward S. Flaschen. y coautor en papel.

«En general, la ferroelectricidad ocurre a menudo en minerales que son complicados en términos de estructura y química», dijo María. «Y a nuestro equipo se le ocurrió la idea hace unos dos años, que había otros cristales más simples que podrían identificar este fenómeno útil, ya que había algunas pistas que nos hicieron proponer esta posibilidad. Diga ‘ferroeléctrico en todas partes’. juega con las palabras, pero captura la idea de que había materiales a nuestro alrededor que nos daban pistas, y las hemos estado ignorando durante mucho tiempo «.

La carrera investigadora de Trolier-McKinstry se ha centrado en materiales ferroeléctricos, incluida la búsqueda de mejores materiales ferroeléctricos con diferentes propiedades. Señaló que la Universidad de Kiel en Alemania había encontrado el primero de este sorprendente tipo de materiales ferroeléctricos en 2019 en nitruros, pero que ella y María demostraron un comportamiento comparable en un óxido.

Parte del proceso seguido por Trolier-McKinstry y el grupo de Maria es el desarrollo de una figura de mérito, una cantidad utilizada en ciencias como la química analítica y la investigación de materiales que caracteriza el desempeño de un dispositivo, material o método frente a alternativas.

“Cuando analizamos cualquier aplicación por material, a menudo encontramos una cifra de mérito que indica qué combinación de propiedades del material necesitaríamos para una aplicación determinada para que sea lo más eficaz posible”, dijo Trolier-McKinstry. Y esta nueva familia de ferroeléctricos nos ofrece posibilidades completamente nuevas para esas figuras de mérito. Es muy interesante para aplicaciones para las que históricamente no hemos tenido grandes conjuntos de materiales, por lo que este tipo de desarrollo de nuevos materiales tiende a estimular nuevas aplicaciones. «

Una ventaja adicional de las películas delgadas de óxido de zinc sustituido con magnesio es la forma en que se pueden depositar a temperaturas mucho más bajas que otros materiales ferroeléctricos.

«La gran mayoría de los materiales electrónicos se preparan con la ayuda de altas temperaturas, y las altas temperaturas significan entre 300 y 1000 grados Celsius (572 a 1835 grados Fahrenheit)», dijo María. «Siempre que produce materiales a altas temperaturas, hay muchas dificultades. Suelen ser dificultades de ingeniería, pero aún lo hacen más desafiante. Tenga en cuenta que cada capacitor necesita dos contactos eléctricos, si preparo mi capa ferroeléctrica de alta temperatura. al menos uno de estos contactos, se producirá una reacción química no deseada en algún momento. Así que cuando puedas hacer cosas a bajas temperaturas, podrás integrarlas mucho más fácilmente «.

El siguiente paso para los nuevos materiales es convertirlos en condensadores de unos 10 nanómetros de espesor y de 20 a 30 nanómetros de tamaño lateral, un desafío de ingeniería difícil. Los investigadores deben crear una forma de controlar el crecimiento de los materiales para que no haya problemas como imperfecciones en los materiales. Trolier-McKinstry dijo que resolver estos problemas será clave para determinar si estos materiales se pueden utilizar en nuevas tecnologías: teléfonos móviles con chip que consumen mucha menos energía, lo que permite un funcionamiento prolongado durante una semana o más.

«Al desarrollar nuevos materiales, es necesario descubrir cómo fallan y luego comprender cómo mitigar esos mecanismos de falla», dijo Trolier-McKinstry. «Y para cada aplicación individual, debe decidir cuáles son las propiedades esenciales y cómo evolucionarán con el tiempo. Y hasta que no haya realizado algunas mediciones al respecto, no sabrá cuáles serán los grandes desafíos, y la confiabilidad y La capacidad de fabricación es enorme en términos de si este material termina en su teléfono celular en cinco años «.

El Departamento de Energía de EE. UU. Y la Fundación Nacional de Ciencias apoyaron esta investigación.

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