Immagazzinamento elettrico su scala nanometrica grazie alla ferroelettrica?
La teorica dei materiali Chiara Gattinoni utilizza il supercomputer "Piz Daint" del CSCS per ricercare una classe speciale di materiali: i ferroelettrici. In futuro, questi materiali potrebbero essere alla base di dispositivi di archiviazione dati miniaturizzati e a risparmio energetico negli apparecchi elettrici. Secondo la ricercatrice, uno dei materiali ferroelettrici analizzati dall'ETH è quasi magico.
I dispositivi elettronici odierni, come computer e smartphone, si basano su due componenti fisici fondamentali: materiali elettrici che elaborano le informazioni e materiali magnetici che le immagazzinano. Tuttavia, la memorizzazione magnetica dei dati richiede molta energia, in quanto necessita di campi magnetici generati da magneti di dimensioni relativamente grandi. Al contrario, la generazione di campi elettrici richiede molta meno energia. Una memoria elettrica potrebbe ridurre drasticamente il fabbisogno energetico dei futuri dispositivi elettronici.
Per questo motivo la borsista Marie Curie Chiara Gattinoni e i suoi colleghi del gruppo di teoria dei materiali dell'ETH del professor Nicola Spaldin stanno conducendo ricerche sui cosiddetti ferroelettrici. I teorici dei materiali vogliono sviluppare nuovi materiali con funzionalità che non esistono ancora. I ferroelettrici sono particolarmente interessanti perché hanno una proprietà speciale: una polarizzazione elettrica intrinseca che può essere invertita da un campo elettrico esterno.
Binario come lo 0 e l'1 di un bit
Questa utile proprietà viene solitamente creata da deformazioni nella struttura cristallina dei ferroelettrici. Queste deformazioni generano a loro volta piccoli dipoli elettrici i cui poli positivi e negativi possono essere invertiti da un piccolo campo elettrico applicato localmente. In questo modo, è possibile creare due diversi stati di polarizzazione all'interno del materiale, simili agli stati zero e uno di un bit nei dispositivi di memorizzazione magnetica. "Possiamo quindi 'scrivere' sul materiale con un campo elettrico e usarlo per memorizzare informazioni", spiega Gattinoni. Tuttavia, questi due stati di polarizzazione controllabili possono essere controllati solo fino a un certo spessore critico del materiale, il che limita l'ulteriore miniaturizzazione dei sistemi elettronici.
Il lavoro di Gattinoni fa ora luce sul motivo per cui la polarizzazione reversibile viene persa e su come si potrebbe ovviare a questo problema - in particolare, su come i materiali ferroelettrici potrebbero essere costruiti in modo tale che anche film sottili di pochi nanometri abbiano una polarizzazione stabile e controllabile.
Il problema degli strati sottili
A tal fine, Gattinoni e i suoi colleghi hanno utilizzato il supercomputer "Piz Daint" del CSCS per eseguire i cosiddetti calcoli della teoria funzionale della densità. Gli scienziati hanno analizzato film molto sottili, con uno spessore leggermente superiore o inferiore a sette celle cristalline. I ricercatori hanno poi confrontato i risultati computazionali con gli esperimenti condotti da altri collaboratori del Laboratory for Ferroic Materials dell'ETH di Zurigo su un film di titanato di piombo (PbTiO3) - un tipico materiale ferroelettrico facile da produrre - su un wafer metallico di rutenato di stronzio. I risultati combinati permettono ora di capire le possibili cause della polarizzazione soppressa.
Due fenomeni ben noti contribuiscono alla perdita di polarizzazione: Uno è il cosiddetto campo depolarizzante, creato da cariche opposte sulle superfici opposte del materiale - una conseguenza naturale del suo momento di dipolo. Queste cariche generano un campo elettrico esattamente opposto alla direzione della polarizzazione ferroelettrica. Più il film è sottile, più queste cariche opposte si avvicinano l'una all'altra e più forte diventa questo campo depolarizzante distruttivo.
Il secondo fenomeno deriva dall'instabilità delle cariche superficiali stesse. "In pratica, il sistema deve trovare il modo di compensare le cariche superficiali per mantenere le proprietà ferroelettriche", spiega Gattinoni. I suoi calcoli al supercomputer mostrano come ciò possa essere ottenuto anche nei film sottili.
Diventare molto sottili
In primo luogo, Gattinoni ha scoperto che, contrariamente alle ipotesi precedenti, il legame chimico all'interfaccia tra il ferroelettrico e il metallo sottostante - in questo caso lo strato di rutenato di stronzio - non influisce quasi mai sul mantenimento della polarizzazione. Invece, la struttura elettronica e quindi le proprietà elettrostatiche del ferroelettrico e dello strato metallico giocano il ruolo dominante nel sistema. "Questo significa che dobbiamo modificare le proprietà elettrostatiche per controllare la polarizzazione, invece di concentrarci sui legami chimici", spiega Gattinoni.
I suoi calcoli hanno anche indicato i punti in cui tali modifiche avrebbero avuto il massimo effetto sull'equalizzazione della carica. Di conseguenza, gli spostamenti di carica all'interfaccia tra il ferroelettrico e il metallo giocano solo un ruolo minore. In precedenza si era ipotizzato che fossero determinanti. Le modifiche sulla superficie del ferroelettrico, invece, si sono rivelate molto più efficaci. Ad esempio, è possibile introdurre nella struttura difetti mirati che adsorbono le cariche elettriche, oppure arricchire l'atmosfera di un componente con determinate molecole che assorbono le cariche. "Entrambi i metodi possono essere utilizzati per stabilizzare la polarizzazione di film ferroelettrici anche molto sottili", spiega Gattinoni.
Il materiale magico
Alcuni materiali ferroelettrici potrebbero anche servire in futuro come potenti catalizzatori di alcune importanti reazioni chimiche. In questo contesto, Gattinoni ha recentemente studiato un materiale a suo dire magico: la ferrite di bismuto.
Anche in questo caso, ha studiato un film sottile del materiale utilizzando calcoli di teoria funzionale della densità, questa volta per determinare il suo potenziale nel catalizzare la scissione dell'acqua. In questa reazione chimica, le molecole d'acqua vengono scisse in idrogeno e ossigeno e quindi utilizzate per produrre idrogeno. Tuttavia, i metodi attuali sono inadeguati perché dipendono dai combustibili fossili o sono costosi e ad alta intensità energetica. Pertanto, lo sviluppo di una scissione dell'acqua più efficiente potrebbe portare a un'economia dell'idrogeno rispettosa dell'ambiente.
Come hanno dimostrato i calcoli di Gattinoni, la ferrite di bismuto dovrebbe rivelarsi un eccellente catalizzatore per la reazione. Questo perché il materiale ha proprietà elettroniche sorprendenti: I film di ferrite di bismuto rimangono ferroelettrici anche quando hanno uno spessore di una sola cella unitaria - e senza bisogno di compensare le cariche superficiali.
Ciò è dovuto al fatto che la ferrite di bismuto contiene due diversi tipi di polarizzazione: la polarizzazione ferroelettrica e un'altra polarizzazione intrinseca al materiale. Ciò avviene perché lo strato di ossido di bismuto del materiale è carico positivamente e lo strato di ossido di ferro è carico negativamente. Si dà il caso che questi due tipi di polarizzazione opposti abbiano la stessa dimensione. Pertanto, la polarizzazione propria del materiale compensa esattamente la polarizzazione ferroelettrica e compensa le cariche superficiali.
Un catalizzatore pratico
Questa proprietà "magica" rende il materiale "inerte", che gli esperti definiscono inerte. Se viene aggiunto all'acqua, ad esempio, non succede nulla. Tuttavia, se la polarizzazione ferroelettrica viene invertita applicando un campo elettrico, le cariche superficiali si accumulano massicciamente, provocando a loro volta la scissione delle molecole d'acqua.
I collaboratori di Gattinoni stanno attualmente cercando di confermare questa idea a livello sperimentale. Inoltre, i loro risultati e il precedente lavoro di altri scienziati suggeriscono che un processo chimico simile potrebbe essere utilizzato anche per abbattere inquinanti come gli ossidi di azoto tossici (NOx). "Continueremo sicuramente a ricercare il potenziale della ferroelettrica per la catalisi", sottolinea Gattinoni.
Questo testo di Santina Russo è apparso per la prima volta in inglese sul sito del Politecnico di Zurigo.pagina esternaCSCS.
Riferimenti
Gattinoni Ch., Strkalj N., H?rdi R., Fiebig M., Trassin M. e Spaldin N.A.: Interfaccia e stabilizzazione superficiale della polarizzazione in film sottili ferroelettrici. PNAS (2020). doi: pagina esterna10.1073/pnas.2007736117
Efe I., Spaldin N.A. e Gattinoni Ch.: Sulla felicità delle superfici ferroelettriche e il suo ruolo nella dissociazione dell'acqua: l'esempio della ferrite di bismuto. J. Chem. Phys. (2021). doi: pagina esterna10.1063/5.0033897
Spaldin N.A., Efe I., Rossell M.D. e Gattinoni Ch.: Polarizzazioni stratificate e spontanee negli ossidi di perovskite e loro interazione nella ferrite di bismuto multiferroica. J. Chem. Phys (2021). doi: pagina esterna10.1063/5.0046061