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Flexoelectricidad para llegar más allá de la ley de Moore

Investigadores del instituto catalán ICN2 han liderado una colaboración internacional que ha conseguido crear el primer sistema microelectromecánico flexoeléctrico integrado en silicio. La flexoelectricidad es una propiedad que permite generar energía eléctrica doblando un material, o al revés, hacer que este se doble aplicando un voltaje. El nuevo avance puede ayudar a seguir reduciendo los chips más allá de los límites planteados hasta ahora.

La flexoelectricidad abre nuevas posibilidades en la electromecánica ‘inteligente’. / Wikipedia

La revolución de las tecnologías de la información ha sido tradicionalmente sinónima de empaquetar más chips en menos espacio para aumentar la capacidad de computación. La famosa ley de Moore, que prevé que el número de transistores por chip se duplicará cada dos años, es el marco en el que se desarrollaba esta carrera tecnológica que ha conseguido mantener un ritmo frenético de mejoras durante mucho tiempo.

La carrera ‘more than Moore’ persigue añadir más funcionalidades a los chips integrando materiales inteligentes sobre la base de silicio

Actualmente parece que esta ley se acerca a sus límites físicos, por lo que gana importancia una estrategia alternativa para mejorar los chips que va más allá de aumentar el número de transistores. Con el apodo de more than Moore (más que Moore), investigadores de todo el mundo intentan añadir nuevas funcionalidades a los chips integrando materiales inteligentes sobre la todavía omnipresente e indispensable base de silicio.

Entre los llamados materiales inteligentes, los piezoeléctricos destacan por su capacidad de convertir una deformación mecánica en voltaje (que permite generar energía o cargar una batería) o bien, al contrario, modificar su forma cuando se les aplica un voltaje (algo que se puede aplicar, por ejemplo, en el diseño de ventiladores piezoeléctricos que refrigeren un circuito).

A pesar de su interés, la integración de la piezoelectricidad con la tecnología basada en el silicio es extremadamente compleja. El número de materiales piezoeléctricos es limitado y los piezoeléctricos más eficientes son materiales ferroeléctricos basados ​​en el plomo, con implicaciones ambientales importantes. Además, sus propiedades se ven muy afectadas por los cambios de temperatura, haciendo que sea difícil aprovecharlos en el contexto de un ordenador típico con componentes que pueden alcanzar temperaturas de hasta 150 grados Celsius.

La flexoelectricidad puede ser tan o más importante que la piezoelectricidad

Existe, sin embargo, otro tipo de propiedad electromecánica que permite imitar las funciones de un piezoeléctrico, doblando los materiales en lugar de apretarlos. Esta característica se denomina flexoelectricidad y, aunque hace casi medio siglo que se conoce, generalmente se ha ignorado porque sus efectos son relativamente débiles y casi imperceptibles en la macroescala.

Cuando estudiamos esta propiedad en la nanoescala, sin embargo, la flexoelectricidad puede ser tan o más importante que la piezoelectricidad: sólo hay que tener en cuenta que doblar un material grueso requiere mucha energía, pero doblar algo bien delgado resulta mucho más sencillo.

Además, la flexoelectricidad ofrece otras propiedades interesantes: es una propiedad universal de todos los dieléctricos, lo que significa que podemos evitar el uso de materiales tóxicos basados ​​en el plomo, y se trata de una propiedad más lineal e independiente de la temperatura que la piezoelectricidad de un ferroeléctrico.

Lograr funcionalidades más inteligentes

Dentro de todo este marco, investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología (ICN2), un centro de excelencia Severo Ochoa ubicado en el Campus de Bellaterra de la Universidad Autónoma de Barcelona, ​​en colaboración con la Universidad Cornell (Estados Unidos) y la Universidad de Twente (Holanda), han logrado ahora producir el primer sistema microelectromecánico (MEMS) flexoeléctrico integrado en silicio.

Han descubierto que en la nanoescala se mantienen las características ventajosas de la flexoelectricidad y, además, los resultados de su primer prototipo (palancas que se doblan en respuesta a un voltaje) ya son comparables a los de las micro-palancas piezoeléctricas más avanzadas. Si esto no fuera suficiente, la universalidad de la flexoelectricidad implica que buena parte de los materiales dieléctricos empleados actualmente en la tecnología de los transistores ya son flexoeléctricos.

Este trabajo abre la puerta a la integración de funcionalidades electromecánicas inteligentes sobre materiales y tecnologías ya existentes. Estos resultados se han publicado esta semana en la revista Nature Nanotechnology.

El proyecto, encabezado por el investigador Umesh Bhaskar y el profesor ICREA Gustau Catalán, del Grupo Nanoelectrónica de Óxidos del ICN2 en Barcelona, ​​se ha financiado a través de una European Research Council (ERC) Consolidator Grant y un proyecto español del Plan Nacional de Excelencia Investigadora, junto con becas nacionales de los grupos de Cornell y Twente.

Referencia bibliográfica:

Umesh Kumar Bhaskar, Nirupam Banerjee, Amir Abdollahi, Zhe Wang, Darrell G. Schlom, Guus Rijnders, Gustau Catalan. “A flexoelectric microelectromechanical system on silicon”. Nature Nanotechnology, 16 de noviembre de 2015. DOI: 10.1038/nnano.2015.260

Fuente: ICN2
Derechos: Creative Commons
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