Pesquisadores do Departamento Technion de Ciência e Engenharia de Materiais conseguiram alterar as propriedades elétricas de um material ao desocupar um átomo de oxigênio da estrutura original. As aplicações possíveis incluem miniaturização de dispositivos eletrônicos e detecção de radiação.
O que imagens de ultrassom de um feto, comunicação móvel celular, micromotores e memórias de computador de 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 alterar as propriedades dos materiais ferroelétricos ao desocupar um único átomo de oxigênio da estrutura original. O avanço pode abrir caminho para o desenvolvimento de novas tecnologias. A pesquisa foi liderada 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 em ACS Nano . Nota-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 leve deslocamento dos átomos causa mudanças significativas no campo elétrico e na contração ou expansão do material. Este efeito é resultado do fato de que a unidade básica de repetição no material contém átomos que estão organizados em uma estrutura assimétrica.

Para explicar isso ainda mais, os pesquisadores usam o material ferroelétrico seminal, titanato de bário, cujos átomos formam uma estrutura de treliça cúbica. Nesses materiais, ocorre um fenômeno único:o átomo de titânio se afasta dos átomos de oxigênio. Como o titânio é carregado positivamente e o oxigênio é carregado 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 se deslocam na mesma direção, e a polarização em cada uma dessas áreas, que é conhecida como domínio ferroelétrico, é uniforme. As tecnologias tradicionais são baseadas no campo elétrico criado nesses domínios. No entanto, nos últimos anos, um grande esforço foi direcionado para minimizar o tamanho do dispositivo e usar as bordas, ou paredes, entre os domínios em vez dos próprios domínios, e assim converter os dispositivos de estruturas tridimensionais para bidimensionais. estruturas.

A comunidade de pesquisa permaneceu dividida em opiniões sobre o que acontece no mundo bidimensional das paredes de domínio:Como a fronteira entre dois domínios com polarização elétrica diferente é estabilizada? A polarização nas paredes dos domínios é diferente da polarização nos próprios domínios? As propriedades da parede de domínio podem ser controladas de maneira localizada? O grande interesse em abordar essas questões decorre do fato de um material ferroelétrico em sua forma natural ser um excelente isolante elétrico. No entanto, as paredes de domínio podem estar conduzindo eletricamente, formando assim um objeto bidimensional que é controlável pela vontade. Este fenômeno engloba o potencial de reduzir significativamente o consumo de energia dos 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 como resultado da vacância parcial de oxigênio em áreas comuns a dois domínios, permitindo maior flexibilidade na implantação do local campo elétrico. Eles conseguiram induzir engenharia de uma vacância de átomo de oxigênio individual e demonstraram que essa ação cria dipolos opostos e maior simetria elétrica - uma estrutura topológica única chamada quadrupolo.

Com o auxílio de simulações computacionais de 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 em escala atômica, mas também em escala relevante a dispositivos eletrônicos - por exemplo, em termos de condutividade elétrica. O significado é que a atual conquista científica provavelmente ajudará na miniaturização de dispositivos desse tipo, bem como na redução do consumo de energia.

Em colaboração com pesquisadores do Centro de Pesquisa Nuclear de Negev, o grupo de pesquisa Technion também demonstrou que as vagas de oxigênio podem ser projetadas expondo o material à radiação eletrônica. Consequentemente, além do potencial tecnológico da descoberta em eletrônica, também pode 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. + Explorar mais

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