Alguns materials piezoelèctrics poden ser ‘fakes’
La recerca demostra que la tècnica PFM pot generar falsos positius quan es mesura la piezoelectricitat d’un material a nanoescala
Irene Arias i Amir Abdollahi, del Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental i del Laboratori de Càlcul Numèric (LaCàN), membres de l'equip d'investigadors autors de l'estudi
Neus Domingo i Gustau Catalán, investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) –centre Severo Ochoa ubicat al campus de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i membre del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST)
Un equip d’investigadors ha descobert que la tècnica més estesa per caracteritzar propietats piezoelèctriques –la capacitat d'alguns materials de generar electricitat quan són sotmesos a una tensió mecànica– pot donar 'falsos positius' a causa de la flexoelectricitat. L’estudi, fruit d’una col·laboració entre el Laboratori de Càlcul Numèric (LaCàN) de la UPC i l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), facilitarà la investigació d’aquests materials en dispositius sensors de pressió o nanogeneradors elèctrics. La recerca ha estat publicada recentment a la revista 'Nature Communications'.
08/04/2019
La microscòpia de forces de piezoresposta (en anglès, piezoresponse force microscopy, PFM) és la tècnica més estesa per caracteritzar propietats piezoelèctriques a nanoescala: és a dir, per determinar l’habilitat d’alguns materials de generar electricitat quan són sotmesos a una tensió mecànica i, al mateix temps, de deformar-se en resposta a un voltatge. La piezoelectricitat s’utilitza en moltes i importants aplicacions: en ecografies d’embaràs, motors d’injecció, en sensors que mesuren deformacions, actuadors o sonars, entre d’altres. La microscòpia de piezoresposta en determina no només si un material és piezoelèctric sinó també el seu grau de piezoelectricitat i és particularment important per les aplicacions d’aquests materials en microelectrònica i nanotecnologia.
Ara, un equip d’investigadors del Laboratori de Càlcul Numèric (LaCàN) de la Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) i de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) han demostrat, teòricament i experimentalment, que la tècnica PFM pot generar falsos positius quan es mesura la piezoelectricitat d’un material a nanoescala. La tècnica PFM consisteix a aplicar una diferència de potencial elèctric a la superfície d’un material mitjançant una punta conductora elèctrica en un microscopi de força atòmica (atomic force microscopy, AFM). És la mateixa punta microscòpica la que detecta la deformació del material en resposta al voltatge; dividint la deformació entre el voltatge, s’obté el coeficient piezoelèctric. Els investigadors demostren, però, que l’aplicació d’un voltatge amb una punta nanoscòpica pot generar deformacions en qualsevol material, sigui o no piezoelèctric. En altres paraules: qualsevol material que es mesuri amb un microscopi de piezoresposta dóna un coeficient piezoelèctric no nul, encara que realment no sigui piezoelèctric.
La causa d’aquest curiós comportament és la flexoelectricitat: un fenomen que es dona a nanoescala mitjançant el qual tot material emet un petit voltatge quan se li aplica una pressió no homogènia o, viceversa, es deforma quan se li aplica un camp elèctric no homogeni: exactament el tipus de camps que generen les puntes microscòpiques. La flexoelectricitat no només pot fer que un material sembli piezoelèctric malgrat no ser-ho, sinó que també pot alterar el coeficient piezoelèctric dels materials que sí que ho són. Això té conseqüències molt importants per a la caracterització de dispositius piezoelèctrics en microelectrònica: els resultats impliquen que, a partir d’ara, les mesures que es realitzin amb PFM per caracteritzar els materials en aquests dispositius hauran de tenir en compte l’efecte de la flexolectricitat.
“Estudiem la flexoelectricitat des del punt de vista computacional, que té multitud de manifestacions fonamentals de la física”, explica Irene Arias, investigadora del LaCàN. “Hem descobert que la tècnica PFM pot donar falsos positius perquè no només està mesurant la piezoelectricitat –és a dir, la resposta a un camp elèctric– sinó també la flexoelectricitat. Hem desenvolupat un model que ens permet quantificar aquestes respostes i, per tant, separar la part piezoelèctrica de la part flexoelèctrica”, afegeix.
“Barcelona és actualment la capital mundial de la recerca en flexoelectricitat. En la nostra ciutat hi ha tres grups diferents —dos participants en aquest estudi i un tercer, liderat per Massimiliano Stengel de l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB-CSIC)— amb projectes flexoelèctrics finançats per l’European Research Council (ERC), la màxima divisió de la recerca científica europea. Per posar-ho en context: això és més que a tota la resta de països d’Europa junts! Aquesta concentració de recursos facilita col·laboracions teòrico-experimentals com la d’aquest estudi, que generen resultats molt potents”, destaca Gustau Catalán, investigador de l’ICN2.
La recerca, que ha estat publicada a la revista Nature Communications, ha estat desenvolupada per un equip d’investigadors format per Irene Arias i Amir Abdollahi, del Departament d’Enginyeria Civil i Ambiental i del Laboratori de Càlcul Numèric (LaCàN), Gustau Catalán, investigador ICREA de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) –centre Severo Ochoa ubicat al campus de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) i membre del Barcelona Institute of Science and Technology (BIST) – i Neus Domingo, també investigadora de l’ICN2.
