Nos últimos anos, uma classe de materiais denominados antiferroelétricos vem sendo cada vez mais estudada por suas potenciais aplicações em dispositivos de memória de computadores modernos. A pesquisa mostrou que as memórias baseadas em antiferroelétricas podem ter maior eficiência energética e velocidades de leitura e gravação mais rápidas do que as memórias convencionais, entre outros atributos atraentes. Além disso, os mesmos compostos que podem apresentar comportamento antiferroelétrico já estão integrados nos processos de fabricação de chips semicondutores existentes.
Agora, uma equipe liderada por pesquisadores da Georgia Tech descobriu um comportamento inesperadamente familiar no material antiferroelétrico conhecido como dióxido de zircônio, ou zircônia. Eles mostram que, à medida que a microestrutura do material é reduzida em tamanho, ele se comporta de maneira semelhante a materiais muito mais conhecidos, conhecidos como ferroelétricos. As descobertas foram recentemente publicadas na revista Advanced Electronic Materials .

A miniaturização de circuitos desempenhou um papel fundamental na melhoria do desempenho da memória nos últimos cinquenta anos. Saber como as propriedades de um antiferroelétrico mudam com o encolhimento do tamanho deve permitir o projeto de componentes de memória mais eficazes.

Os pesquisadores também observam que as descobertas devem ter implicações em muitas outras áreas além da memória.

"Os antiferroelétricos têm uma variedade de propriedades únicas como alta confiabilidade, alta resistência de tensão e amplas temperaturas de operação que os tornam úteis em uma variedade de dispositivos diferentes, incluindo capacitores de alta densidade de energia, transdutores e circuitos eletro-ópticos." disse Nazanin Bassiri-Gharb, coautor do artigo e professor da Woodruff School of Mechanical Engineering e da School of Materials Science and Engineering da Georgia Tech. "Mas os efeitos de dimensionamento de tamanho ficaram em grande parte fora do radar por um longo tempo."

"Você pode projetar seu dispositivo e torná-lo menor sabendo exatamente como o material vai funcionar", disse Asif Khan, coautor do artigo e professor assistente da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação e da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Geórgia Tecnologia "Do nosso ponto de vista, abre realmente um novo campo de pesquisa."

Campos duradouros

A característica definidora de um material antiferroelétrico é a maneira peculiar como ele responde a um campo elétrico externo. Essa resposta combina características de materiais não ferroelétricos e ferroelétricos, que têm sido muito mais intensamente estudados em física e ciência dos materiais.

Para ferroelétricos, a exposição a um campo elétrico externo de força suficiente faz com que o material fique fortemente polarizado, que é um estado em que o material exibe seu próprio campo elétrico interno. Mesmo quando o campo elétrico externo é removido, essa polarização persiste, semelhante a como um prego de ferro pode ficar permanentemente magnetizado.

O comportamento de um material ferroelétrico também depende de seu tamanho. À medida que uma amostra de material se torna mais fina, é necessário um campo elétrico mais forte para criar uma polarização permanente, de acordo com uma lei precisa e previsível chamada lei de Janovec-Kay-Dunn (JKD).

Por outro lado, a aplicação de um campo elétrico externo a um antiferroelétrico não faz com que o material fique polarizado – a princípio. No entanto, à medida que a força do campo externo é aumentada, um material antiferroelétrico eventualmente muda para uma fase ferroelétrica, onde a polarização se instala abruptamente. O campo elétrico necessário para mudar a fase antiferroelétrica para uma fase ferroelétrica é chamado de campo crítico.

Escala de tamanho

No novo trabalho, os pesquisadores descobriram que os antiferroelétricos de zircônia também obedecem a algo como uma lei JKD. No entanto, ao contrário dos ferroelétricos, a microestrutura do material desempenha um papel fundamental. A força do campo crítico escala no padrão JKD especificamente em relação ao tamanho das estruturas conhecidas como cristalitos dentro do material. Para um tamanho de cristalito menor, é necessário um campo crítico mais forte para mudar um material antiferroelétrico em sua fase ferroelétrica, mesmo que a espessura da amostra permaneça a mesma.

"Não havia uma lei preditiva que ditasse como a tensão de comutação mudaria à medida que se miniaturizasse esses dispositivos de óxido antiferroelétrico", disse Khan. "Encontramos uma nova reviravolta em uma lei antiga."

Anteriormente, antiferroelétricos finos eram difíceis de produzir em tamanhos comparáveis ​​aos ferroelétricos, disseram os pesquisadores. Nujhat Tasneem, o estudante de doutorado que lidera a pesquisa, passou "dia e noite" no laboratório, de acordo com Khan, para processar e produzir filmes de óxido de zircônio antiferroelétricos livres de vazamento de nanômetros únicos de tamanho. O próximo passo, de acordo com Khan, é que os pesquisadores descubram exatamente como controlar o tamanho do cristalito, adaptando assim as propriedades do material para uso em circuitos.

O pesquisador também colaborou com pesquisadores da Universidade Charles, na República Tcheca, e da Universidad Andres Bello, no Chile, para caracterização de difração de raios X e cálculos baseados em primeiros princípios, respectivamente.

"Foi realmente um esforço colaborativo, abrangendo vários continentes", disse Tasneem.

Os resultados também devem abordar questões fundamentais da física, de acordo com Bassiri-Gharb. Nos últimos anos, surgiu um mistério no estudo dos antiferroelétricos, com o modo como as estruturas cristalinas microscópicas causam uma polarização macroscópica sendo questionada.

"Encontrar dois tipos muito diferentes de materiais - ferroelétricos e antiferroelétricos com diferentes estruturas atômicas - para seguir comportamentos e leis semelhantes é particularmente emocionante", disse Bassiri-Gharb. "Isso abre portas para buscar mais semelhanças e transferir mais nosso conhecimento entre os campos." + Explorar mais

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