Perovskitas ferroeléctricas sin metales

Los materiales ferroeléctricos muestran un comportamiento especial cuando se encuentran dentro de un campo eléctrico: se polarizan espontáneamente, lo que significa que las cargas positivas y negativas se separan rápidamente en el cristal. Esta propiedad hace a estos materiales ideales para numerosas aplicaciones en los campos del almacenamiento de energía, el contraste de imagen en medicina y las memorias de ordenadores que mantienen la información incluso cuando el aparato está apagado.

Un grupo de investigadores ha descubierto recientemente una nueva serie de materiales ferroeléctricos sin metales al complementar una estrategia de diseño con una serie de experimentos ensayo-error. Este hallazgo prepara el camino hacia la fabricación de sistemas de memoria, condensadores y otros aparatos electrónicos ligeros, flexibles y de bajo coste (Science 2018, DOI: 10.1126/science.aas9330).

Ejemplos de materiales ferroeléctricos habitualmente usados en este tipo de aparatos electrónicos incluyen titanato de bario (BaTiO₃ o BTO), titanato de plomo, y otros compuestos cerámicos con composición y estructura de perovskita, que siguen la estequiometría ABX₃. Aunque son muy utilizados en la industria, estos materiales tienen un elevado coste de producción y, a menudo, contienen plomo u otros metales pesados tóxicos. Esta razón ha hecho que muchos científicos hayan investigado la síntesis de perovskitas sin metales, teniendo éxito en algunos casos. El problema es que estas perovskitas sin metales suelen mostrar propiedades ferroeléctricas débiles, invalidándolas para su uso aplicado.

Un equipo de investigadores encabezado por Yu-Meng You y Ren-Gen Xiong de la Universidad del Sudeste de China ha sintetizado una familia de 23 perovskitas sin metales, algunas de las cuales muestran propiedades ferroeléctricas similares a las del BTO.

Las perovskitas convencionales están formadas por cationes metálicos grandes y pequeños, representados en la fórmula química por A y B, respectivamente. Esta diferencia de tamaño en los iones es una de las propiedades características del comportamiento electrónico de estos materiales. Otros factores, tales como las fuerzas de van der Waals y las interacciones intermoleculares entre iones en el cristal, también juegan un papel importante.

Provistos de esta información, el equipo diseñó una estrategia para hacer perovskitas ferroeléctricas sin metales con la fórmula general A(NH₄)X₃, donde A es un catión orgánico divalente y X es un halógeno. Llevaron las síntesis planificadas al laboratorio, donde hicieron reaccionar un gran número de reactivos orgánicos con compuestos inorgánicos de amonio e hidrácidos.

Entre las 23 perovskitas sin metales sintetizadas en este estudio, una denominada MDABCO-NH₄I₃, que contiene un grupo diazabiciclo, parece ser especialmente prometedora, ya que muestra un gran valor de polarización espontánea, 22 microculombios/cm², cercano al valor de 26 del BTO. Este nuevo compuesto también parece especialmente estable, puesto que mantiene sus propiedades ferroeléctricas hasta la temperatura de transición de fase, a 448 K, superando el límite marcado por el BTO que era de 390 K.

"Los resultados son asombrosos,"—un hito alcanzado 70 años después del desarrollo de los óxidos de perovskita ferroeléctricos convencionales, dice Wei Li, especialista en materiales inorgánicos funcionales de la Universidad de Nankai. Li añade que el contenido orgánico se puede modificar para afinar las propiedades cristalinas, y que este contenido orgánico hace a estos materiales fáciles de preparar, ligeros y baratos, lo que rápidamente llevará a las aplicaciones.

Traducción al español producida por Esteban Urriolabeitia de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.