Es pot generar electricitat doblegant semiconductors

27/09/2016

Tots els materials aïllants generen un petit voltatge al ser doblegats. Aquest fenomen també es produeix a la inversa, és a dir que aquests materials es dobleguen al ser sotmesos a un voltatge. La propietat que fa que això sigui possible és la flexoelectricitat. Fins ara es pensava que aquesta propietat només es donava en materials elèctricament aïllants, és a dir, materials que no condueixen l’electricitat.

Investigadors de l’Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), pertanyents al Grup Nanoelectrònica d’Òxids encapçalat pel professor ICREA Gustau Catalan, han publicat un article a Nature on s’explica que la flexoelectricitat és un fenomen molt més freqüent del que es pensava. Els autors del treball són la investigadora Jackeline Narvaez, l’estudiant de doctorat Fabián Vásquez-Sancho, i el professor de recerca ICREA Gustau Catalan.

Els investigadors de l’ICN2 han descobert que la flexoelectrictat existeix també en els materials semiconductors, una família de materials a mig camí entre els metalls i els aïllants. Això és important perquè els materials semiconductors ja són els més utilitzats per la indústria electrònica en dispositius tan estesos com els transistors o les cel·les fotovoltaiques. Els nous resultats demostren que, a partir d’ara, també es podrien fer servir com a microgeneradors elèctrics.

La flexoelectricitat és universal

La flexoelectricitat es dóna com a conseqüència de qualsevol asimetria provocada per la deformació d’un material. Doblegar un material fa que els àtoms s’estrenyin a la part interior de la curvatura i s’estenguin pel costat exterior. Aquesta redistribució d’àtoms fa que els electrons també es redistribueixin, cosa que podem aprofitar per crear un corrent elèctric entre les dues superfícies. Les superfícies contribueixen de manera molt important a aquest fenomen.

Ja se sabia que tots els materials aïllants són flexoelèctrics. La sorpresa de l’article publicat pels investigadors de l’ICN2 és la demostració que els materials semiconductors també ho són i poden generar molta més electricitat que els aïllants.

La flexoelectricitat dels semiconductors es concentra a la superfície

L’article publicat a Nature descriu com un material que inicialment era aïllant genera 1.000 vegades més electricitat quan està dopat per ser semiconductor. La clau d’aquest augment és que, malgrat que l’interior esdevé conductor, les superfícies es mantenen aïllants. Per tant, les superfícies es poden polaritzar com és habitual, però en aquest cas les càrregues lliures (els electrons) del semiconductor contribueixen a què aquesta polarització de la superfície pugui ser molt més gran.

Com que en els semiconductors l’efecte està dominat per la superfície en comptes de l’interior del material, els autors parlen d’un efecte “flexoelectric-like” (que en català vindria a ser “quasi-flexoelèctric”). I és que l’efecte és idèntic a la flexoelectricitat des del punt de vista pràctic (és una electricitat generada en flexionar un material), però lleugerament diferent en el seu origen físic.

Cal destacar que el fet d’haver pogut mesurar per primera vegada la resposta electromecànica de les superfícies també suposa un avenç molt important des del punt de vista de la física fonamental. Fins ara la resposta mesurada estava sempre dominada per la flexoelectricitat procedent de l’interior del material.  

Els semiconductors flexoelèctrics són competitius a escala macroscòpica

La flexoelectricitat tradicional (la dels materials aïllants) és un fenomen important a nanoescala. Fins ara, però, no podia competir a escala macroscòpica (la més quotidiana dels humans) amb un altre fenomen similar anomenat piezoelectricitat, pel qual els materials generen un voltatge al ser comprimits en comptes de doblegats. I és que els materials són més difícils de doblegar quan són gruixuts (macroescala) que quan són prims (nanoescala): pensem, per exemple, en com n’és de difícil doblegar un llibre de 1000 pàgines comparat amb un únic full de paper.

Aquest nou efecte quasi-flexoelèctric dels semiconductors té una característica important, i és que augmenta amb el gruix del material. Així es compensa la seva pèrdua de flexibilitat permetent mantenir voltatges competitius amb els de la piezoelectricitat, independentment del gruix del material. La flexoelectricitat ofereix a més el gran avantatge de ser una propietat present en molts més materials que no pas la piezoelectriciat.

Els autors estan tan convençuts del potencial de la flexoelectricitat en semiconductors que han patentat el seu descobriment. Actualment, en col·laboració amb el Departament de Transferència Tecnològica de l’ICN2, estan buscant socis tecnològics per desenvolupar dispositius basats en aquesta idea.

Article: Jackeline Narvaez, Fabian Vasquez-Sancho, Gustau Catalan. Enhanced flexoelectric-like response in oxide semiconductors. Nature, 2016. Doi:10.1038/nature19761