Materiales ferroeléctricos | Una alternativa para mejorar el almacenamiento de información digital y con menos consumo de energía | Materiales ferroeléctricos y sus aplicaciones | ¿Qué es la ferroelectricidad y la piezoelectricidad? | Características de los materiales ferroeléctricos | ¿Cómo se fabrican los materiales ferroeléctricos? | Un material ferroeléctrico es aquel que

Un material ferroeléctrico es aquel que:

Los materiales ferroeléctricos son cristales que tienen un momento eléctrico dipolar (o polarización) en ausencia de campo eléctrico, existe una relación lineal entre el campo eléctrico externo aplicado y la polarización del material, esto se conoce como histéresis, muestra la transición entre dos estados de equilibrio que se dan en el interior del material. Al tener polarización en ausencia de un campo externo, hay un ordenamiento del material para que el promedio de dipolo no sea cero, por lo que esta región sería una estructura de dominio.  Al aplicar un campo eléctrico externo, estas regiones crecen a favor del campo, y teóricamente quedan todas ordenadas, pero en la práctica siempre pueden quedar unos pocos dipolos en sentido contrario, y son los que facilitarán ese cambio a polarización contraria en el material, cuando se aplique de nuevo un campo eléctrico. 

Pero estos campos eléctricos aplicados son en forma de pulsos o pulsos de switching, para no interferir demasiado en los procesos internos del cristal. Otro parámetro a tener en cuenta es la temperatura de Curie, en el cual los dipolos quedan desordenados, se da una transición de fase ferroeléctrica a para eléctrica, los materiales ferroeléctricos presentan una permitividad dieléctrica elevada y se alcanza el máximo en la transición a fase para eléctrica. Los materiales ferroeléctricos además tienen las propiedades de piezoelectricidad y piroelectricidad. Nos centramos más en la piezoelectricidad, la propiedad en la cual los cristales se polarizan debido a una deformación, o se consigue una deformación al aplicarles un campo eléctrico. Lo que conlleva a una aplicación que consiste en crear condensadores de alta capacitancia en la ventana de temperatura cercana a la temperatura de Curie, siendo a su vez  aplicados estos condensadores en tecnologías de almacenamiento de información o memoria, de lo cual vamos a tratar a continuación. 

Materiales ferroeléctricos para mejorar dispositivos de memoria y almacenamiento de información digital con menor consumo de energía

Aprovechando las propiedades de los materiales ferroeléctricos, se busca implementar una nueva forma de almacenamiento de información digital y de datos, que no necesita energía adicional para retenerla, esto de acuerdo a resultados de últimas investigaciones al respecto, que son prometedoras. Y es que los materiales ferroeléctricos se caracterizan por quedar polarizados luego de aplicarles un campo eléctrico, y no se necesita una energía extra o adicional que mantenga esta polarización, los materiales ferroeléctricos reorientan sus cargas de acuerdo al campo eléctrico que se les aplica. También los golpes o fuerza física puede afectar la orientación de los materiales ferroeléctricos y por ejemplo se los puede aplicar como encendedores de tipo botón en las parrillas de gas. Pero más que nada se da importancia en la aplicación de dispositivos de memoria.

Es el trabajo de un grupo de investigadores del Instituto Penn State, el que destaca la importancia del óxido de zinc sustituido con magnesio, al hacer experimentos de ferroelectricidad con este material, afirman que han descubierto una nueva familia de materiales ferroeléctricos, y a partir de los cuales se pueden crear condenadores diminutos. La orientación de polarización dentro de estos condensadores solo cambia al momento de aplicar campo eléctrico, fuera de este no es volátil, quiere decir que si su carga superficial  se configura como positiva, permanece como tal, y lo mismo si se la configura como negativa, permanece así de manera constante, hasta que se le aplique nuevamente un campo eléctrico.

Esto es de mucha utilidad, ya que permite un ahorro de energía, no se necesita de energía adicional externa, para preservar la información dentro de las memorias, contrariamente a como ocurre actualmente con nuestros ordenadores, que si necesitan una cierta cantidad de energía eléctrica para mantener la información en dentro de sus memorias. Entonces es ahí en donde entra en acción el óxido de zinc sustituido con magnesio, que más antes nunca se lo pensó para ser usado como material ferroeléctrico, sino como semiconductor, al expandir la banda prohibida del óxido de zinc.

Lo que consideran importante también es la figura de mérito del material (término utilizado en Química Analítica), que indica que tan efectiva es esta combinación, para un determinado propósito o aplicación. Y los nuevos materiales ferroeléctricos creados ofrecen muy buenas figuras de mérito, lo que abre la posibilidad de encontrar nuevas aplicaciones.

Este óxido de zinc sustituido con magnesio, está disponible en películas delgadas, obtenidas mediante un proceso conocido como deposición catódica, el zinc y el magnesio se obtienen en forma de vapor y al reaccionar con el oxígeno, se van acumulando en un sustrato de óxido de aluminio y así se van formando estas delgadas películas. De esto hay también una ventaja y es que se puede dar este proceso de fabricación a temperaturas más bajas, lo que lo facilita más, a diferencia de otros materiales que requieren temperaturas aproximadas de 300 a 1000 grados celsius, y se evitan reacciones indeseadas debido a estas altas temperaturas.

Se continúa mejorando la fase de fabricación, para evitar que el material obtenido tenga imperfecciones, que podrían dificultar su implementación en componentes electrónicos, tales como los condensadores diminutos que ya mencionamos antes, cuyas dimensiones serían 20 x 30 nanómetros de largo y ancho y de 10 nanómetros de altura o espesor, y así estos componentes serán parte de dispositivos con un consumo energético menor, esta implementación en la práctica todavía está en fase de experimentación y medición previa.

Los actuales sistemas de memoria ponen énfasis en el almacenamiento magnético, esto requiere una cantidad considerable de corriente para producir el magnetismo, lo que conlleva a un consumo alto de energía, por eso es que también se acelera estas investigaciones sobre ferroelectricidad. Con esto también se reduciría el tamaño de los dispositivos.

Referencias:

https://phys.org/news/2021-08-family-ferroelectric-materials-possibilities-energy.html

https://youtu.be/0FJITF9kkkg

https://youtu.be/IwT_ECJ1TEY