Uma nova família de materiais que pode resultar em um armazenamento digital aprimorado de informações e usa menos energia pode ser possível graças a uma equipe de pesquisadores da Penn State que demonstrou ferroeletricidade em óxido de zinco substituído com magnésio.
Materiais ferroelétricos são eletricamente polarizados espontaneamente porque cargas negativas e positivas no material tendem para lados opostos e com aplicação de reorientação de campo elétrico externo. Eles podem ser afetados por força física, por isso são úteis para ignitores de botão de pressão, como os encontrados em churrasqueiras a gás. Eles também podem ser usados para armazenamento de dados e memória, porque permanecem em um estado polarizado sem energia adicional e, portanto, são soluções de armazenamento digital de baixa energia.
“Nós identificamos uma nova família de materiais a partir da qual podemos fazer pequenos capacitores e podemos definir sua orientação de polarização para que sua carga superficial seja positiva ou negativa”, disse Jon-Paul Maria, professor de engenharia e ciência dos materiais da Penn State , e co-autor do artigo publicado no Journal of Applied Physics. “Essa configuração é não volátil, o que significa que podemos definir o capacitor para positivo e ele permanece positivo, podemos defini-lo para menos, ele permanece negativo. E então podemos voltar e identificar como definimos esse capacitor, digamos, uma hora atrás.”
Essa capacidade pode permitir uma forma de armazenamento digital que não usa tanta eletricidade quanto outras formas.
“Este tipo de armazenamento não requer energia adicional”, disse Maria. “E isso é importante porque muitas das memórias de computador que usamos hoje requerem eletricidade adicional para sustentar as informações, e usamos uma parte substancial do orçamento americano de energia para obter informações.”
Os novos materiais são feitos com filmes finos de óxido de zinco substituído com magnésio. O filme foi desenvolvido por meio de deposição por pulverização catódica, um processo em que os íons de argônio são acelerados em direção aos materiais alvo, impactando-o com uma energia alta o suficiente para libertar os átomos do alvo que contém magnésio e zinco. Os átomos de magnésio e zinco liberados viajam em uma fase de vapor até reagirem com o oxigênio e se coletarem em um substrato de óxido de alumínio revestido de platina e formarem os filmes finos.
Os pesquisadores estudaram o óxido de zinco substituído com magnésio como um método para aumentar o gap do óxido de zinco, uma característica fundamental do material que é importante para a criação de semicondutores. No entanto, o material nunca foi explorado para ferroeletricidade. No entanto, os pesquisadores acreditaram que o material poderia ser feito ferroelétrico, com base na ideia de “ferroelétricos em todos os lugares” postulada por Maria e Susan Trolier-McKinstry, Professor da Universidade Evan Pugh, Steward S. Flaschen Professor de Ciência e Engenharia Cerâmica e co- autor no papel.
“De um modo geral, a ferroeletricidade costuma ocorrer em minerais que são complicados do ponto de vista estrutural e químico”, disse Maria. “E a nossa equipa propôs a ideia há cerca de dois anos, de que existem outros cristais mais simples nos quais este útil fenómeno pudesse ser identificado, pois existiam algumas pistas que nos fizeram propor esta possibilidade. Dizer ‘ferroeléctricos em todo o lado’ é um pouco brincar com as palavras, mas captura a ideia de que havia materiais ao nosso redor que nos davam dicas, e por muito tempo estávamos ignorando essas dicas.”
A carreira de pesquisa de Trolier-McKinstry tem se concentrado em ferroelétricos, incluindo a busca por melhores materiais ferroelétricos com propriedades diferentes. Ela observou que a Universidade de Kiel, na Alemanha, encontrou o primeiro desse tipo surpreendente de materiais ferroelétricos em 2019 em nitretos, mas que ela e Maria demonstraram um comportamento comparável em um óxido.
Parte do processo seguido pelo grupo de Trolier-McKinstry e Maria está desenvolvendo uma figura de mérito, uma quantidade usada em ciências como química analítica e pesquisa de materiais que caracteriza o desempenho de um dispositivo, material ou método em relação a alternativas.
“Quando olhamos para qualquer aplicação de material, frequentemente criamos uma figura de mérito que diz qual combinação de propriedades de materiais precisaríamos para qualquer aplicação para torná-la o mais eficaz possível”, disse Trolier-McKinstry. “E essa nova família de ferroelétricos nos dá possibilidades totalmente novas para essas figuras de mérito. É muito atraente para aplicações para as quais historicamente não tínhamos grandes conjuntos de materiais, então esse tipo de desenvolvimento de novos materiais tende a desencadear novas aplicações. ”
Um benefício adicional dos filmes finos de óxido de zinco substituído com magnésio é como eles podem ser depositados em temperaturas muito mais baixas do que outros materiais ferroelétricos.
“A grande maioria dos materiais eletrônicos é preparada com a ajuda de altas temperaturas, e altas temperaturas significam algo em torno de 300 a 1000 graus Celsius (572 a 1835 graus Fahrenheit)”, disse Maria. “Sempre que você faz materiais em temperaturas elevadas, isso vem com muitas dificuldades. Elas tendem a ser dificuldades de engenharia, mas mesmo assim tornam tudo mais desafiador. Considere que cada capacitor precisa de dois contatos elétricos – se eu preparar minha camada ferroelétrica em altas temperaturas em pelo menos um desses contatos, em algum ponto ocorrerá uma reação química indesejada. Portanto, quando você pode fazer coisas em baixas temperaturas, pode integrá-las com muito mais facilidade. ”
O próximo passo para os novos materiais é transformá-los em capacitadores com aproximadamente 10 nanômetros de espessura e 20 a 30 nanômetros em dimensões laterais, o que é um difícil desafio de engenharia. Os pesquisadores precisam criar uma forma de controlar o crescimento dos materiais para que não haja problemas como imperfeições nos materiais. Trolier-McKinstry disse que resolver esses problemas será a chave para saber se esses materiais são utilizáveis em novas tecnologias – telefones celulares com chips que usam muito menos energia, permitindo operação sustentada por uma semana ou mais.
“Ao desenvolver novos materiais, você tem que descobrir como eles falham e, então, entender como mitigar esses mecanismos de falha”, disse Trolier-McKinstry. “E para cada aplicação, você precisa decidir quais são as propriedades essenciais e como elas irão evoluir ao longo do tempo. E até que você tenha feito algumas medições sobre isso, você não sabe quais serão os grandes desafios, e a confiabilidade e a capacidade de fabricação são enormes em termos de saber se esse material vai parar no seu telefone celular em cinco anos. ”
Publicado em 02/09/2021 22h40
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