Efeito de proximidade faz materiais avançados ganharem novas propriedades

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/01/2025

Não é preciso alterar quimicamente os materiais, algo que também acaba por destruir algumas de suas propriedades mais interessantes.
[Imagem: Gerado por IA/Gemini]

Ferroeletricidade por proximidade

Os ferroelétricos são materiais especiais que apresentam cargas positivas e cargas negativas polarizadas - é algo como uma versão elétrica de um ímã, que tem polos magnéticos norte e sul. E essas cargas podem ser revertidas, bastando aplicar eletricidade no material, que permanecerá nesse estado revertido até que mais energia seja aplicada.

Se você pensou em um bit, acertou na mosca - esses materiais são úteis para o armazenamento de dados, mas também para várias outras aplicações, incluindo as comunicações sem fio.

E esse leque de aplicações poderá se ampliar muito, agora que Chloe Skidmore e colegas da Alemanha e dos EUA descobriram que dá para transformar um material que não é ferromagnético em um ferromagneto autêntico apenas colocando um pedaço de material ferromagnético junto ao outro que se deseja transformar.

Essa "ferroeletricidade por proximidade" oferece uma nova maneira de fabricar materiais ferroelétricos sem precisar modificar a formulação química do material original, o que comumente degrada várias propriedades úteis. Isso tem implicações diretas na fabricação de processadores de próxima geração, de dispositivos optoeletrônicos e para a computação quântica.

"Este trabalho mostra que podemos gerar ferroeletricidade em um material que não tem essas propriedades apenas empilhando-o com um material que é ferroelétrico," disse o professor Jon-Paul Maria, da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA. "E, desta forma, os dois materiais conversam entre si. Nós chamamos isso de ferroeletricidade por proximidade porque é um efeito de estar em contato."

As aplicações vão da eletrônica tradicional à computação quântica, passando pela computação com luz.
[Imagem: Chloe H. Skidmore et al. - 10.1038/s41586-024-08295-y]

Famílias de ferroelétricos

Nos últimos anos, as equipes das universidades de Kiel, na Alemanha, e da Pensilvânia, desenvolveram novas famílias de materiais ferroelétricos de nitreto e óxido com propriedades comparáveis com as dos materiais tradicionais, mas com estruturas e métodos de preparação muito mais simples. Essas novas famílias podem ser integradas diretamente em semicondutores convencionais, como o silício, maximizando assim o impacto da tecnologia.

O novo trabalho se baseia nesses avanços, demonstrando um método para criar materiais semelhantes, mas sem precisar das modificações químicas anteriormente necessárias para a fabricação.

"A comunidade ficou muito animada nos últimos anos sobre duas novas famílias emergentes de ferroelétricos que mostram impactos futuros muito promissores em dispositivos eletrônicos," disse Maria. "Este é agora mais um passo nesse processo. É a segunda vez que ficamos surpresos com o que não sabíamos sobre ferroeletricidade após 100 anos de pesquisa."

Sem perder nada

Um dos materiais ferroelétricos desenvolvidos antes oferece desempenho atraente, mas requer compensações: Filmes finos de óxido de zinco substituídos por magnésio são atraentes graças às propriedades do óxido de zinco, mas ele não é ferroelétrico por si só. Adicionar magnésio permite tornar o material ferroelétrico, mas também degrada propriedades importantes, como a dissipação de calor durante a operação do dispositivo e a capacidade de transmitir luz por distâncias muito longas.

Usando a ferroeletricidade por proximidade, os pesquisadores descobriram agora que podem transformar o óxido de zinco puro em ferroelétrico apenas empilhando-o com um material ferroelétrico, neste caso os próprios filmes finos de óxido de zinco substituídos por magnésio - só que agora eles não perdem mais aquelas propriedades.

Outro detalhe interessante é que a camada ferroelétrica representa apenas 3% do volume total da pilha, o que significa que a grande maioria é material com as propriedades mais desejadas - a camada ferroelétrica, ou de comutação, pode ser colocada na parte superior ou inferior, ou como uma camada interna isolada.

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