Mesuren un canvi rècord de conductivitat sotmetent un semiconductor a grans pressions
18/02/2015
La recerca l’ha dut a terme el Grup de Nanoelectrònica d’Òxids, encapçalat pel Prof. ICREA Gustau Catalan. La Dra. Neus Domingo és la primera signant de l’article publicat a Nanoscale i ha tingut un paper clau en la investigació.
La piezoresistivitat és un fenomen que consisteix en què certs materials canvien la seva conductivitat elèctrica quan se’ls aplica una pressió que els deforma. Això és degut al fet que els aïllants i els semiconductors tenen unes característiques elèctriques molt especials que creen bandes amb propietats diferents: la banda de valència, on estan “aparcats” els electrons, i la banda de conducció, per on circula el corrent elèctric. Aquestes bandes estan separades per una barrera d’energia; com més baixa és aquesta barrera, més gran és el nombre d’electrons a la banda de conducció i, per tant, més alta és la conductivitat elèctrica.
En aplicar una pressió sobre alguns material semiconductors, es modifica l’alçada de la barrera que separa la banda de valència i la de conducció, facilitant el salt dels electrons a la banda de conducció i disminuint per tant la resistència elèctrica del material. En altres paraules, quan premem el material, condueix millor l’electricitat. Això té un ampli ventall d’aplicacions possibles, que van des de sensors de pressió fins a transistors microelectrònics on el corrent està regulat per pressió en comptes de voltatge.
Una punta nanoscòpica per estudiar grans pressions
Als laboratoris de l’ICN2, el Grup del Prof. Catalan ha mesurat una piezoresistivitat enorme en un material ceràmic, l’iridat d’estronci (Sr2IrO4). Les mesures s’han efectuat amb un microscopi de força atòmica (AFM), un aparell que utilitza agulles nanoscòpicament esmolades que permeten prémer el material i a la vegada mesurar-ne la conductivitat. De fet, es tracta d’una manera nova i imaginativa de fer servir aquest equipament, ja que és el primer cop que la punta del microscopi AFM es fa servir per mesurar la piezoresistivitat d’un material.
La punta de l’AFM és tan petita que una força minúscula resulta en valors de pressió molt alts. Menys d’1 mg de força (equivalent al pes d’una formiga), aplicada sobre una punta nanoscòpica, es tradueix en pressions de 100 tones (el pes de 20 elefants) per centímetre quadrat. De fet, les pressions són tan altes (fins a 10GPa) que, per evitar que les puntes del microscopi s’esclafin es fan servir puntes de diamant.
Amb aquestes pressions els investigadors han aconseguit fer que el Sr2IrO4 condueixi 250 vegades més electricitat. Destaca també que, tot i aplicar-hi deformacions un nombre repetit de vegades (més de 500), la mostra no ha sofert cap desperfecte. A més, aquesta piezoresistivitat tan gran s’ha mesurat a temperatura ambient. Tot plegat fa que aquest semiconductor sigui un bon candidat per a futures aplicacions en sensors, nous tipus de transistors i altres dispositius electrònics especialitzats. Malauradament, l’iridi és un material molt poc abundant en el nostre planeta, i els científics ja estan buscant materials alternatius.
Les mostres per a aquesta investigació han estat fabricades a la University of California (USA) i l’estudi s’ha realitzat a l’ICN2 en col·laboració amb l’Institut de Ciència de Materials de Barcelona (ICMAB). El finançament per a aquest projecte s’ha obtingut principalment de l’European Research Council (ERC) Consolidator Grant i d’un Projecte del Plan Nacional de Excelencia Investigadora del Prof. Catalan.
Referència de l’article: Domingo, N., López-Mir, L., Paradinas, M., Holy, V., ´elezný, J., Yi, D., Suresha, S.J., Liu, J., Rayan Serrao, C., Ramesh, R., Ocal, C., Martí, X., and Catalan, G. (2015). Giant reversible nanoscale piezoresistance at room temperature in Sr2IrO4 thin films. Nanoscale, 2015; 7: 3453-3459. DOI: 10.1039/C4NR06954D.