Materiales multifuncionales: Ferroeléctricos policristalinos.

Están muy cerca de ti, en el “magic-click” con el que se enciende el gas de tu calentador de agua, en el sensor del ecógrafo que te permitirá ver la cara de tu hijo antes de que nazca, en el obturador de la cámara de fotos digital que te llevaste en las últimas vacaciones, en la consola de tus videojuegos y en muchos de los sensores de tu coche. Son los materiales ferroeléctricos policristalinos. Ahora estamos estudiando en el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid de la Agencia Estatal CSIC nuevos materiales y nuevas funciones para un futuro próximo.

Los ferroeléctricos policristalinos son también conocidos como cerámicas ferroeléctricas, y constituyen un importante grupo de las denominadas cerámicas electrónicas. Al igual que las cerámicas decorativas o las refractarias, se preparan mediante tratamientos térmicos a alta temperatura (1000ºC) de compactos prensados o barbotinas de polvo precursor constituido por cristalitos de óxidos multiples. Los ferroeléctricos son cristales que responden a estímulos mecánicos, térmicos u ópticos con variaciones a nivel de estructura cristalina. Estas dan lugar a la generación de cargas eléctricas entre los electrodos del material (condensador plano-paralelo). Vice-versa, la aplicación de voltajes eléctricos entre los electrodos aplicados al material da lugar a su deformación o a su vibración en el caso de voltajes alternos. Estas propiedades se conocen como piezo-electricidad, piro-electricidad y efecto opto-electrónico. Ellas son la base de las aplicaciones de los ferroeléctricos en sensores, transductores de ultrasonidos, actuadores y motores.

Estas aplicaciones, que llevan muchos años utilizando en el ámbito industrial cerámicas ferroeléctricas, han pasado ya al campo de la microelectrónica con la preparación de estos materiales en capas, de espesor entre 1 y 100 μm, sobre sustratos basados en silicio. Los ferroeléctricos, de modo similar a los materiales ferromagnéticos, presentan un comportamiento no-lineal, mostrando ciclos de histéresis entre dos estados equivalentes de polarización espontánea  mediante la aplicación de campos eléctricos externos. Estos dos estados son el fundamento de las memorias ferroeléctricas no volátiles de acceso aleatorio (NVFeRAM), que retienen la información en ausencia de alimentación eléctrica, competidoras de las memorias “flash”. Ahora se trabaja en obtener memorias de densidad ultra alta, cercana al Tb/inch², con elementos de memoria ferroeléctricos de dimensiones inferiores a los 50 nm, las nanoestructuras ferroeléctricas.

Entre las aplicaciones próximas de estos materiales está la recolección de energía mecánica (“energy harvesting”), que se genera en múltiples actividades como el caminar o hacer “jogging”, bailar, hacer girar el torno de entrada al metro, y un largo etc., que actualmente se desperdicia.

El área de investigación de los materiales ferroeléctricos policristalinos comprende estudios y técnicas relacionadas con el desarrollo de nuevas composiciones y procesos de preparación de los materiales, así como de la caracterización de su estructura cristalina y su microestructura cerámica. De todos los anteriores factores dependen las propiedades del material y conocidas las relaciones entre ellos se pueden diseñar materiales específicos para aplicaciones específicas.

Links de interés:

(1)  Revista Española de Física. L. Pardo and C. Aragó. “Materiales Ferroeléctricos: fundamentos, estado actual y tendencias”. Volumen 24. Número 1 (2010).

(a partir del 1 de marzo de 2010 en http://www.rsef.org/)

(2)  Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM). Agencia Estatal CSIC. (http://www.icmm.csic.es)

(3)  Piezoinstitute (European Institute of Piezoelectric Materials and Devices)

(http://www.piezoinstitute.com/)

Lorena Pardo.

Profesor de Investigación. ICMM-CSIC.