Uma equipe internacional de pesquisadores, incluindo cientistas do Instituto de Ciência e Tecnologia da Universidade de Pós-Graduação de Okinawa (OIST), da Universidade de Tóquio e do Instituto Nacional de Ciência de Materiais, desenvolveu um novo material ferroelétrico orgânico que poderia potencialmente substituir óxidos inorgânicos em chips de memória. , sensores e outros dispositivos eletrônicos.

Ferroelétricos são uma classe especial de materiais que podem ser alternados entre dois estados de polarização elétrica opostos pela aplicação de um campo elétrico externo. Essa propriedade os torna ideais para uso em diversos dispositivos eletrônicos, como chips de memória e sensores.

Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente no desenvolvimento de ferroelétricos orgânicos como alternativa aos óxidos inorgânicos. Os ferroelétricos orgânicos apresentam uma série de vantagens sobre os óxidos inorgânicos, incluindo flexibilidade, baixo custo e facilidade de processamento. No entanto, os ferroelétricos orgânicos têm sido tipicamente menos eficientes e estáveis ​​do que os seus homólogos inorgânicos.

O novo material ferroelétrico orgânico desenvolvido pela equipe liderada pelo OIST é baseado em uma molécula chamada [N-(4-bromobenzil)-2,5-dimetilpirrol-3-carboxamida]. Esta molécula é membro de uma classe de compostos conhecidos como “triazóis”, que demonstraram possuir propriedades ferroelétricas promissoras.

Os pesquisadores descobriram que o novo material ferroelétrico orgânico à base de triazol tinha uma alta constante dielétrica, que é uma medida de sua capacidade de armazenar energia elétrica. O material também exibiu um alto grau de polarização, o que é uma medida de sua capacidade de alternar entre seus dois estados de polarização elétrica opostos.

Além disso, descobriu-se que o novo material ferroelétrico orgânico é estável em altas temperaturas e sob altos campos elétricos. Isto o torna um candidato promissor para uso em dispositivos eletrônicos que operam sob condições adversas.

O desenvolvimento deste novo material ferroelétrico orgânico é um avanço significativo no campo da eletrônica orgânica. Este material poderia potencialmente ser usado em uma variedade de dispositivos eletrônicos, como chips de memória, sensores e dispositivos de armazenamento de energia.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Takeharu Sakurai da Unidade de Óptica Não Linear da Unidade de Materiais e Dispositivos do OIST investigou uma pequena molécula orgânica e descobriu que ela tinha alta polarização elétrica. O resultado fornece uma forte indicação de que o material potencialmente se tornará um ferroelétrico orgânico. A ferroeletricidade é um fenômeno onde a polarização elétrica espontânea em um material pode ser revertida – geralmente pela aplicação de um campo elétrico. Por exemplo, materiais ferroelétricos são amplamente utilizados em capacitores, que armazenam cargas elétricas ou energia elétrica, e em sensores que detectam mudanças de aceleração, movimento ou temperatura.

Embora as moléculas orgânicas possuam interessantes propriedades eletrônicas, magnéticas, optoeletrônicas e mecânicas, os ferroelétricos orgânicos têm sido difíceis de sintetizar devido às suas estruturas cristalinas, que impedem a formação de polarização elétrica espontânea.

Óxidos ferroelétricos são usados ​​convencionalmente, mas são tipicamente materiais inorgânicos compostos de íons metálicos e oxigênio, e são difíceis de processar e vulneráveis ​​a forças externas. O desenvolvimento de um ferroelétrico orgânico composto de carbono, hidrogênio, nitrogênio, oxigênio, enxofre e outros elementos potencialmente resolveria tais problemas.

No entanto, a equipe liderada pelo professor Sakurai usou uma pequena molécula orgânica chamada [N-(4-bromobenzil)-2,5-dimetilpirrol-3-carboxamida] com uma estrutura bidimensional em camadas e conseguiu sintetizar o ferroelétrico orgânico. O material sintetizado apresenta uma alta polarização elétrica de aproximadamente 8 micro-Coulombs por centímetro quadrado (μC/cm2) com um campo elétrico aplicado de 104 volts por micrômetro (V/μm).

Para efeito de comparação, a equipe de pesquisa avaliou ferroelétricos orgânicos e inorgânicos relatados anteriormente e descobriu que o ferroelétrico orgânico sintetizado exibe uma polarização elétrica suficientemente alta. Embora a polarização elétrica do material sintetizado ainda seja menor do que a dos ferroelétricos de óxido inorgânico amplamente utilizados, ela está na mesma ordem que a dos polímeros, que são materiais eletrônicos orgânicos amplamente utilizados.

O professor Sakurai pretende melhorar ainda mais a polarização elétrica do ferroelétrico orgânico, modificando a estrutura do material e usando dopantes. "Para alcançar uma polarização elétrica comparável ou melhor do que a dos ferroelétricos de óxido inorgânico amplamente utilizados, provavelmente levará mais algum tempo", diz Sakurai. "No entanto, estamos otimistas em relação ao nosso material ferroelétrico recentemente desenvolvido, que poderá ser usado como capacitor, sensor/atuador piezoelétrico ou como componente de dispositivos de memória orgânica não volátil no futuro."