Algunos materiales piezoeléctricos pueden ser 'fakes'

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La investigación demuestra que la técnica PFM puede generar falsos positivos cuando se mide la piezoelectricidad de un material a nanoescala

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Irene Arias y Amir Abdollahi, del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental y del Laboratorio de Cálculo Numérico (LaCàN), miembros del equipo de investigadores autores del estudio

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Neus Domingo y Gustau Catalán, del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), centro Severo Ochoa ubicado en el campus de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y miembro del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST)

Un equipo de investigadores ha descubierto que la técnica más extendida para caracterizar propiedades piezoeléctricas –la capacidad de algunos materiales de generar electricidad cuando son sometidos a una tensión mecánica– puede dar 'falsos positivos' debido a la flexoelectricidad. El estudio, fruto de la colaboración entre el Laboratorio de Cálculo Numérico (LaCàN) de la UPC y el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), facilitará la investigación de estos materiales en dispositivos sensores de presión o nanogeneradores eléctricos. El estudio ha sido publicado recientemente en la revista 'Nature Communications'.

08/04/2019

La microscopía de fuerzas de piezorespuesta (en inglés, piezoresponse force microscopy, PFM) es la técnica más extendida para caracterizar propiedades piezoeléctricas a nanoescala: es decir, para determinar la habilidad de algunos materiales de generar electricidad cuando son sometidos a una tensión mecánica y, al mismo tiempo, de deformarse en respuesta a un voltaje. La piezoelectricidad se utiliza en muchas e importantes aplicaciones: en ecografías de embarazo, motores de inyección, en sensores que miden deformaciones, actuadores o sonares, entre otros. La microscopía de piezoresposta determina no sólo si un material es piezoeléctrico sino también su grado de piezoelectricidad, y es particularmente importante en las aplicaciones de estos materiales en microelectrónica y nanotecnología.

Ahora, un equipo de investigadores del Laboratorio de Cálculo Numérico (LaCàN) de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) y del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) han demostrado, teórica y experimentalmente, que la técnica PFM puede generar falsos positivos cuando se mide la piezoelectricidad de un material a nanoescala. La técnica PFM consiste en aplicar una diferencia de potencial eléctrico en la superficie de un material mediante una punta conductora eléctrica en un microscopio de fuerza atómica (atomic force microscopy, AFM). Es la misma punta microscópica la que detecta la deformación del material en respuesta al voltaje; dividiendo la deformación entre el voltaje, se obtiene el coeficiente piezoeléctrico. Los investigadores demuestran, sin embargo, que la aplicación de un voltaje con una punta nanoscópica puede generar deformaciones en cualquier material, sea o no piezoeléctrico. En otras palabras: cualquier material que se mida con un microscopio de piezorespuesta da un coeficiente piezoeléctrico no nulo, aunque realmente no sea piezoeléctrico.

La causa de este curioso comportamiento es la flexoelectricidad: un fenómeno que se da a nanoescala mediante el cual todo material emite un pequeño voltaje cuando se le aplica una presión no homogénea o se deforma cuando se le aplica un campo eléctrico no homogéneo: exactamente el tipo de campos que generan las puntas microscópicas. La flexoelectricidad no sólo puede hacer que un material parezca piezoeléctrico a pesar de no serlo, sino que también puede alterar el coeficiente piezoeléctrico de los materiales que sí lo son. Esto tiene consecuencias muy importantes para la caracterización de dispositivos piezoeléctricos en microelectrónica: los resultados implican que, a partir de ahora, las medidas que se realicen con PFM para caracterizar los materiales en estos dispositivos deberán tener en cuenta el efecto de la flexolectricidad.

"Estudiamos la flexoelectricidad desde el punto de vista computacional, que tiene multitud de manifestaciones fundamentales de la física", explica Irene Arias, investigadora del LaCàN. "Hemos descubierto que la técnica PFM puede dar falsos positivos porque no sólo está midiendo la piezoelectricidad, es decir, la respuesta a un campo eléctrico, sino también la flexoelectricidad. Hemos desarrollado un modelo que nos permite cuantificar estas respuestas y, por lo tanto, separar la parte piezoeléctrica de la parte flexoeléctrica", añade.

"Barcelona es actualmente la capital mundial de la investigación en flexoelectricidad. En nuestra ciudad hay tres grupos diferentes –dos que participan en este estudio y un tercero, liderado por Massimiliano Stengel del Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC)– con proyectos flexoeléctricos financiados por el European Research Council (ERC), la máxima división de la investigación científica europea. Para ponerlo en contexto: ¡esto es más que en todo el resto de países de Europa juntos! Esta concentración de recursos facilita colaboraciones teórico-experimentales como la de este estudio, que generan resultados muy potentes", destaca Gustau Catalán, investigador del ICN2.

La investigación, que ha sido publicada en la revista Nature Communications, ha sido desarrollada por un equipo de investigadores formado por Irene Arias y Amir Abdollahi, del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental y del Laboratorio de Cálculo Numérico (LaCàN), Gustau Catalán, investigador ICREA del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2) –centro Severo Ochoa ubicado en el campus de la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB) y miembro del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST)– y Neus Domingo, también investigadora del ICN2.