La redistribución de los átomos y electrones cuando se dobla un material se puede aprovechar para generar una corriente eléctrica. Hasta ahora se pensaba que esta propiedad, denominada flexoelectricidad, era exclusiva de los materiales aislantes, pero investigadores del instituto ICN2 han demostrado que los materiales semiconductores también pueden ser flexoeléctricos e incluso generar mucha más electricidad que los aislantes. El descubrimiento ya se ha patentado por sus posibles aplicaciones.
Todos los materiales aislantes generan un pequeño voltaje al ser doblados. Este fenómeno también se produce a la inversa, es decir, que estos materiales se doblan al ser sometidos a un voltaje. La propiedad que hace que esto sea posible es la flexoelectricidad. Hasta ahora se pensaba que solo se daba en materiales eléctricamente aislantes, es decir, materiales que no conducen la electricidad.
Ahora, investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), pertenecientes al Grupo Nanoelectrónica de Óxidos liderado por el profesor ICREA Gustau Catalán, publican esta semana un artículo en Nature donde se explica que la flexoelectricidad es un fenómeno mucho más frecuente de lo que se pensaba. Los otros autores del trabajo son la doctora Jackeline Narváez y el estudiante de doctorado Fabián Vásquez-Sancho.
Los investigadores del ICN2 han descubierto que la flexoelectricidad existe también en los materiales semiconductores, una familia de materiales a medio camino entre los metales y los aislantes. Esto es importante porque los materiales semiconductores ya son los más utilizados por la industria electrónica en dispositivos tan extendidos como los transistores o las células fotovoltaicas. Los nuevos resultados demuestran que, a partir de ahora, también se podrían utilizar como microgeneradores eléctricos.
La flexoelectricidad es universal
La flexoelectricidad se produce como consecuencia de cualquier asimetría provocada por la deformación de un material. Al doblar un material provocamos que los átomos se aprieten en la parte interior de la curvatura y se extiendan por el costado exterior. Esta redistribución de átomos comporta que los electrones también se redistribuyan, cosa que podemos aprovechar para crear una corriente eléctrica entre las dos superficies. Las superficies contribuyen de manera muy importante a este fenómeno.
Ya se sabía que todos los materiales aislantes son flexoeléctricos. La sorpresa del artículo publicado por los investigadores del ICN2 es la demostración de que los materiales semiconductores también lo son y pueden generar mucha más electricidad que los aislantes.
La flexoelectricidad de los semiconductores se concentra en la superficie
El artículo describe cómo un material que inicialmente era aislante genera mil veces más electricidad cuando está dopado para ser semiconductor. La clave de este aumento es que, a pesar de que el interior se convierte en conductor, las superficies se mantienen aislantes. Por lo tanto, las superficies se pueden polarizar como es habitual, pero en este caso las cargas libres (los electrones) del semiconductor contribuyen a que esta polarización de la superficie pueda ser aún mucho mayor.
Como en los semiconductores el efecto está dominado por la superficie en vez del interior del material, los autores hablan de un efecto flexoelectric-like (casi-flexoeléctrico). El efecto es idéntico al de la flexoelectricidad desde el punto de vista práctico (es una electricidad generada al flexionar un material), pero ligeramente diferente en su origen físico.
Según los autores, el hecho de haber podido medir por primera vez la respuesta electromecánica de las superficies también supone un avance muy importante desde el punto de vista de la física fundamental. Hasta ahora la respuesta medida estaba siempre dominada por la flexoelectricidad procedente del interior del material.
Semiconductores flexoeléctricos competitivos en la macroescala
La flexoelectricidad tradicional (la de los materiales aislantes) es un fenómeno importante a nanoescala. Hasta el momento no podía competir a escala macroscópica (la más cuotidiana para los humanos) con otro fenómeno similar llamado piezoelectricidad, por el cual los materiales generen un voltaje al ser comprimidos en lugar de doblados. Y es que los materiales son más difíciles de doblar cuando son gruesos (macroescala) que cuando son delgados (nanoescala): pensemos, por ejemplo, en lo difícil que resulta doblar un libro de mil páginas comparado con la dificultad de doblar una única hoja de papel.
Este nuevo efecto casi-flexoeléctrico de los semiconductores tiene una característica importante, y es que aumenta con el grosor del material. Así se compensa su pérdida de flexibilidad permitiendo mantener voltajes competitivos cuando los comparamos con los de la piezoelectricidad, independientemente del grosor del material. La flexoelectricidad ofrece además la gran ventaja de ser una propiedad presente en muchos más materiales que la piezoelectricidad.
Los autores están tan convencidos del potencial de la flexoelectricidad en semiconductores que han patentado su descubrimiento. Actualmente, en colaboración con el departamento de Transferencia Tecnológica del ICN2, están buscando socios tecnológicos para desarrollar dispositivos basados en esta idea.
Referencia bibliográfica:
Jackeline Narváez, Fabián Vásquez-Sancho, Gustau Catalán. "Enhanced flexoelectric-like response in oxide semiconductors". Nature, 2016. Doi:10.1038/nature19761
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