Tecnologia Científica

Mudando as propriedades dos materiais ferroelétricos, desocupando um único átomo de oxigênio
Os pesquisadores do Technion-Israel Institute of Technology conseguiram mudar as propriedades dos materiais ferroelétricos, retirando um único átomo de oxigênio da estrutura original.
Por Technion - Instituto de Tecnologia de Israel - 03/01/2022


Resumo gráfico. Crédito: DOI: 10.1021 / acsnano.1c03623

Pesquisadores do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do Technion conseguiram alterar as propriedades elétricas de um material desocupando um átomo de oxigênio da estrutura original. As aplicações possíveis incluem miniaturização de dispositivos eletrônicos e detecção de radiação.

O que a imagem de ultrassom de um feto, a comunicação móvel celular, os micromotores e as memórias de computador com baixo consumo de energia têm em comum? Todas essas tecnologias são baseadas em materiais ferroelétricos, que se caracterizam por uma forte correlação entre sua estrutura atômica e as propriedades elétricas e mecânicas.

Os pesquisadores do Technion-Israel Institute of Technology conseguiram mudar as propriedades dos materiais ferroelétricos, retirando um único átomo de oxigênio da estrutura original. O avanço pode abrir caminho para o desenvolvimento de novas tecnologias. A pesquisa foi chefiada pelo Professor Assistente Yachin Ivry do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, acompanhado pelo pesquisador de pós-doutorado Dr. Hemaprabha Elangovan e Ph.D. estudante Maya Barzilay, e foi publicado na ACS Nano . Observa-se que a engenharia de uma vacância de oxigênio individual representa um desafio considerável devido ao peso leve dos átomos de oxigênio .

Em materiais ferroelétricos , um ligeiro deslocamento dos átomos causa mudanças significativas no campo elétrico e na contração ou expansão do material. Este efeito é o resultado do fato de que a unidade básica de repetição no material contém átomos que são organizados em uma estrutura assimétrica.

Para explicar isso melhor, os pesquisadores usam o material ferroelétrico seminal, o titanato de bário, cujos átomos formam uma estrutura de rede semelhante a um cubo. Nestes materiais, ocorre um fenômeno único: o átomo de titânio se afasta dos átomos de oxigênio. Como o titânio é carregado positivamente e o oxigênio negativamente, essa separação cria polarização, ou em outras palavras, um momento de dipolo elétrico.

Uma rede cúbica tem seis faces, então os átomos carregados se movem para uma das seis possibilidades. Em diferentes partes do material, um grande número de átomos vizinhos muda na mesma direção, e a polarização em cada uma dessas áreas, que é conhecida como domínio ferroelétrico , é uniforme. As tecnologias tradicionais baseiam-se no campo elétrico criado nesses domínios. No entanto, nos últimos anos, um grande esforço tem sido direcionado para minimizar o tamanho do dispositivo e usar as fronteiras, ou paredes, entre os domínios em vez dos próprios domínios, convertendo assim os dispositivos de estruturas tridimensionais em bidimensionais estruturas.
 
A comunidade de pesquisa tem se mantido dividida em relação ao que acontece no mundo bidimensional das paredes do domínio : Como a fronteira entre dois domínios com polarização elétrica diferente é estabilizada? A polarização nas paredes do domínio é diferente da polarização nos próprios domínios? As propriedades da parede do domínio podem ser controladas de maneira localizada? O grande interesse em responder a essas questões decorre do fato de um material ferroelétrico em sua forma natural ser um excelente isolante elétrico. No entanto, as paredes do domínio podem estar conduzindo eletricamente, formando assim um objeto bidimensional que é controlável pela vontade. Esse fenômeno envolve o potencial de reduzir significativamente o consumo de energia de dispositivos de armazenamento e processamento de dados.

Neste projeto, os pesquisadores conseguiram decifrar a estrutura atômica e a implantação do campo elétrico em paredes de domínio em escala atômica. Em seu artigo recente, eles corroboram a suposição de que as paredes de domínio permitem a existência de uma fronteira bidimensional entre os domínios em decorrência da vacância parcial de oxigênio em áreas comuns a dois domínios, possibilitando assim maior flexibilidade na implantação do local campo elétrico. Eles conseguiram induzir engenhosamente a vacância de um átomo de oxigênio individual e demonstraram que essa ação cria dipolos opostos e maior simetria elétrica - uma estrutura topológica única chamada quadrupolo.

Com a ajuda de simulações de computador por Shi Liu da Westlake University na China, os pesquisadores demonstraram que a engenharia da vacância do átomo de oxigênio tem um grande impacto nas propriedades elétricas do material não apenas na escala atômica, mas também na escala que é relevante para dispositivos eletrônicos, por exemplo, em termos de condutividade elétrica. O significado é que a presente conquista científica provavelmente ajudará na miniaturização de dispositivos desse tipo, bem como na redução de seu consumo de energia.

Em colaboração com pesquisadores do Centro de Pesquisa Nuclear de Negev, o grupo de pesquisa Technion também demonstrou que as vacâncias de oxigênio podem ser projetadas expondo o material à radiação eletrônica. Consequentemente, além do potencial tecnológico da descoberta em eletrônica, também poderá ser possível utilizar o efeito para detectores de radiação, permitindo a detecção precoce - e prevenção - de acidentes nucleares , como o ocorrido em 2011 em Fukushima. , Japão.

 

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