Un team internazionale di ricerca ha fatto una scoperta rivoluzionaria nel campo dei materiali ferroelettrici, in particolare riguardo alle proprietà piezoelettriche dei condensatori di ossido di afnio-zirconio (Hf0.5Zr0.5O2). Questi materiali, noti per le loro robuste proprietà ferroelettriche a livello nanometrico, hanno mostrato un comportamento inaspettato quando sottoposti a cicli elettrici esterni. Gli scienziati hanno osservato che è possibile alterare dinamicamente la piezoelettricità di questi film sottili, arrivando persino a invertire il segno dell’effetto piezoelettrico. Questa scoperta, supportata dalla teoria del funzionale della densità, apre nuove prospettive per lo sviluppo di dispositivi avanzati basati su HfO2 ferroelettrico.
Comportamento non convenzionale indagato
La ricerca, guidata dalla professoressa Catherine Dubourdieu dell’HZB, ha esaminato i condensatori HZO utilizzando la microscopia a forza piezoelettrica (PFM). Questa tecnica prevede l’utilizzo di un ago conduttivo che, scorrendo sulla superficie del campione sotto una piccola tensione elettrica, misura la risposta piezoelettrica locale. I risultati hanno mostrato che la piezoelettricità in HZO non è un parametro immutabile, ma può essere modificato dinamicamente attraverso cicli elettrici esterni. In particolare, è stata osservata un’inversione completa e uniforme del segno del coefficiente piezoelettrico d33, da positivo a negativo, in seguito a cicli di campo elettrico alternato.
Nuova opzione: materiali ferroelettrici senza piezoelettricità
I calcoli della teoria del funzionale della densità suggeriscono che il d33 positivo iniziale è dovuto a una fase ortorombica polare metastabile che, sotto cicli di corrente alternata, evolve verso una fase polare stabile con d33 negativo. Questi calcoli non solo propongono un meccanismo per l’inversione del segno di d33, ma prevedono anche un risultato rivoluzionario: la possibile esistenza di un composto ferroelettrico intrinsecamente non piezoelettrico, osservato sperimentalmente.
Nuove applicazioni tecnologiche
Per la prima volta, è stato possibile osservare sperimentalmente un’inversione del segno dell’effetto piezoelettrico nell’intera area di un condensatore in questi ferroelettrici di afnio-zirconio sotto l’applicazione di un campo elettrico alternato. Questa scoperta ha un enorme potenziale per applicazioni tecnologiche. “Poiché la piezoelettricità in questi materiali può essere modificata dinamicamente e persino annullata, mantenendo al contempo una polarizzazione robusta, intravediamo fantastiche prospettive per lo sviluppo di dispositivi basati su HfO2 ferroelettrico con funzionalità elettromeccaniche”, afferma Catherine Dubourdieu. Inoltre, dal punto di vista fondamentale, la possibilità di un composto ferroelettrico non piezoelettrico potrebbe rivoluzionare la nostra visione della ferroelettricità.
Impatto sulla microelettronica e tecnologia dell’informazione
Le nuove scoperte relative ai film sottili di ossido di afnio-zirconio offrono opzioni inedite per l’uso nella microelettronica e nella tecnologia dell’informazione. La capacità di controllare e invertire la piezoelettricità in questi materiali apre la strada allo sviluppo di dispositivi con caratteristiche elettromeccaniche avanzate, che potrebbero trovare applicazione in una vasta gamma di settori, dalla sensoristica alla produzione di energia.
Una rivoluzione nella comprensione della ferroelettricità
La possibilità di un composto ferroelettrico non piezoelettrico rappresenta una svolta nella comprensione della ferroelettricità. Questa scoperta potrebbe portare a una revisione dei modelli teorici esistenti e stimolare ulteriori ricerche per esplorare il potenziale di questi materiali unici. La ricerca continua a spingere i confini della scienza dei materiali, promettendo innovazioni che potrebbero trasformare il modo in cui interagiamo con la tecnologia.
