En los campos de batalla del futuro, la capacidad de conservar y controlar grandes cantidades de energía permitirá la superioridad tecnológica sobre el enemigo.
Investigadores del Army Research Laboratory (ARL) han demostrado un nuevo método de producción de películas delgadas antiferroeléctricas que aprovecha la amplia disponibilidad del hafnio.
La película delgada de hafnato de plomo, o PbHfO3, creada con esta técnica podría abrir nuevas puertas a los investigadores que quieran aprovechar las propiedades únicas de los materiales antiferroeléctricos para crear tecnologías energéticas aún más potentes.
«Cuando se necesita una ráfaga de energía eléctrica, como en un desfibrilador o un cañón de riel, los antiferroeléctricos son una buena forma de obtener vatios brutos de potencia de impulso», dijo el Dr. Brendan Hanrahan, ingeniero de materiales del Ejército. «Los antiferroeléctricos también absorben de forma natural las señales oscilantes, lo que los convierte en excelentes filtros electrónicos».
Según Hanrahan, este avance supone la primera vez que los investigadores producen películas delgadas antiferroeléctricas con hafnato de plomo, un compuesto relativamente desconocido del que no se confirmó que tuviera propiedades antiferroeléctricas hasta 2019.
Los investigadores habían teorizado sobre las propiedades antiferroeléctricas del hafnato de plomo ya en 1953, dos años después de que identificaran el zirconato de plomo, o PbZrO3, como material antiferroeléctrico.
Sin embargo, debido al elevado coste del hafnio y a los años de resultados no concluyentes, el hafnato de plomo cayó en el olvido, mientras que el circonato de plomo ganó popularidad como material antiferroeléctrico por excelencia.
«El hafnato de plomo está casi ausente de la literatura, porque conseguir hafnio lo suficientemente puro era entonces increíblemente difícil», dijo Hanrahan. «El zirconato de plomo y el hafnato de plomo tenían casi la misma estima al principio, pero el zirconato fue el único que se empleó porque el circonio era mucho más fácil de conseguir que el hafnio».
El hafnio permaneció en gran medida inaccesible hasta principios de la década de 2000, cuando se convirtió en un componente importante de los dispositivos semiconductores.
Una vez que los investigadores se dieron cuenta de que los materiales relacionados con el hafnio ya no tenían los mismos problemas de cadena de suministro que en el pasado, empezaron a considerarlo seriamente como posible ingrediente de nuevos materiales.
De estas deliberaciones surgió la posibilidad de una película fina antiferroeléctrica hecha de hafnato de plomo.
Por la misma época, el Dr. Nicholas Strnad, científico de materiales, había descubierto recientemente cómo fabricar compuestos piezoeléctricos a base de plomo con una técnica llamada deposición de capas atómicas.
Dadas las condiciones favorables, Hanrahan y Strnad aprovecharon la oportunidad para determinar si podían emplear la deposición de capas atómicas, un proceso comúnmente empleado por gigantes de la industria de los semiconductores como Intel y Samsung, para crear películas delgadas antiferroeléctricas para obleas de silicio.
«El ARL ha sido líder en la deposición de capas atómicas de ferroeléctricos durante los últimos cinco años», dijo Hanrahan. «Si se combina esta capacidad con la ubicuidad actual del hafnio, es muy fácil imaginar por qué deberíamos intentar abordar este hafnato de plomo antiferroeléctrico de la literatura antigua».
Con el desarrollo de una película delgada de hafnato de plomo, los investigadores del Ejército creen que tiene otra oportunidad de mostrar todo su potencial como material antiferroeléctrico e incluso superar al circonato de plomo.
Hanrahan y sus colegas planean seguir adaptando las propiedades únicas del hafnato de plomo para poder trasladar esta tecnología a las pequeñas empresas.
Su artículo de investigación, The other model anti-ferroelectric: PbHfO3 thin films from ALD precursors, apareció en la revista científica revisada por pares Applied Physics Letters Materials como parte del número especial del centenario que celebra el descubrimiento de los ferroeléctricos.
«Hemos demostrado la propiedad antiferroeléctrica, pero ahora hay que hacer muchos ajustes específicos para la aplicación», dijo Hanrahan. «El hafnato de plomo puede emplearse para aplicaciones de almacenamiento de energía, sensores térmicos, radio y otras. Todo depende de cómo queramos emplearlo».
Fte. Army.mil
