Flexoeletricidade: cristal sintético é produzido para gerar energia

Lisa Grossman - Physical Review Focus - 03/08/2011

A posição de um microscópio de força atômica é controlada por um "motor" piezoelétrico. Mas os dispositivos flexoelétricos poderão ser ainda mais importantes no posicionamento em nanoescala agora que os cientistas descobriram como fabricá-los com precisão.
[Imagem: Wikimedia Commons]

Flexibilidade incorporada

Alguns materiais produzem um campo elétrico quando você os dobra - um fenômeno chamado efeito flexoelétrico.

Mas esse efeito era pequeno demais para que se pensasse em aplicações tecnológicas para ele.

Agora, uma equipe coreana descobriu como gerar um grande efeito flexoelétrico a partir de uma fina película fabricada com uma "flexibilidade incorporada".

Eles também descobriram como variar o grau dessa capacidade de flexão e, portanto, a força do campo elétrico gerado.

O efeito pode ser surpreendentemente forte, o bastante para ser útil em sensores e atuadores em nanoescala, como os necessários para movimentar MEMS e micro e nano robôs.

Efeito piezoelétrico

O efeito flexoelétrico é o primo mais novo do já bem conhecido efeito piezoelétrico, em que determinados sólidos desenvolvem um campo elétrico interno quando são comprimidos ou esticados.

O fenômeno tem-se mostrado útil em inúmeros dispositivos, de microscópios eletrônicos de tunelamento e nanogeradores a isqueiros e acendedores de fogão.

Mas ele só ocorre em 20 das 32 classes de simetria de cristais que os cientistas usam para classificar os materiais sólidos.

Materiais que geram um campo elétrico ao serem dobrados, por outro lado, podem ter qualquer classe de simetria.

Efeito flexoelétrico

Flexionar um cristal estica cada uma das suas camadas atômicas em uma intensidade ligeiramente diferente, sendo a camada externa da superfície curvada a que mais se estica.

Esse "gradiente de tensão" pode movimentar alguns íons no cristal o suficiente para gerar um campo elétrico.

O efeito tem sido observado em materiais flexíveis, como os cristais líquidos, o grafeno e até mesmo no cabelo, mas nunca forte o suficiente em um sólido comum para ser útil.

Em vez de começar com um material flexível e dobrá-lo, Tae Won Noh e seus colegas da Universidade Nacional de Seul, na Coreia, construíram o gradiente de pressão diretamente em seu cristal.

A equipe cresceu filmes finos de óxido de manganês e hólmio (HoMnO3), um material que é ferroelétrico, o que significa que ele pode manter um campo elétrico permanente, assim como um material ferromagnético mantém um campo magnético.

Os átomos de cada camada sucessiva, que se condensaram a partir do vapor, ficaram ligeiramente mais próximos uns dos outros do que a camada abaixo.
[Imagem: Lee et al./PRL]

Configurando o material

A forma padrão para construir um gradiente de tensão em um filme é fazê-lo crescer camada por camada sobre uma superfície, com os átomos espaçados de forma ligeiramente diferente do cristal "nativo", sobre o qual o material está sendo crescido.

A equipe usou uma superfície de safira, cujo espaçamento atômico é 3,5 por cento maior do que no HoMnO3. Os átomos de cada camada sucessiva, que se condensaram a partir do vapor, ficaram ligeiramente mais próximos uns dos outros do que a camada abaixo, mas esse "relaxamento" em relação ao espaçamento natural variou drasticamente, dependendo da quantidade de oxigênio presente na câmara.

Com baixo teor de oxigênio, o filme formou-se com muitos pontos sem esse elemento, o que reduziu sua capacidade de "apertar" seu espaçamento atômico com a crescente espessura do filme. Assim, o espaçamento da camada superior foi muito maior do que nos filmes gerados com alto teor de oxigênio.

Usando difração de raios X, a equipe detectou gradientes de tensão 10 milhões de vezes maiores do que já havia sido detectado em tiras macroscópicas de materiais semelhantes. Este gradiente de pressão gigantesco produziu um grande campo elétrico através do efeito flexoelétrico.

Normalmente, o campo elétrico dentro de um material ferroelétrico não é uniforme - o material se divide em zonas, cada uma com um campo em uma direção específica.

A equipe capturou imagens destes domínios, que mostraram que o efeito flexoelétrico era forte o suficiente em altas temperaturas, nas amostras com alto teor de oxigênio, para gerar um único domínio no filme.

Mas filmes cultivados em ambiente mais pobre de oxigênio - portanto, com menores gradientes de tensão - apresentaram um efeito menor sobre os domínios e outras propriedades ferroelétricas. Assim, controlar o nível de oxigênio, é a chave para "ajustar" as propriedades do material.

"Você pode usar este campo elétrico para controlar as propriedades físicas do seu sistema", diz Noh. "Ninguém tinha usado o efeito flexoelétrico para controlar esses tipos de propriedades."

Flexoeletricidade

Noh afirma que filmes tensionáveis já existem há décadas, mas ninguém havia prestado atenção no seu efeito flexoelétrico: "Nós estamos dizendo a quem trabalha na área: 'Olhe para eles. Prestem atenção nessas propriedades'."

O principal resultado é que as condições atmosféricas durante o crescimento dos filmes afetam sua flexoeletricidade, comenta Gustau Catalan, do Centro de Pesquisas em Nanociência e Nanotecnologia da Espanha.

"A flexoeletricidade pode, portanto, ser controlada por meio de uma escolha cuidadosa das condições de crescimento, permitindo o ajuste de uma propriedade física importante," diz ele.

Noh afirma que a expectativa é que a piezoeletricidade seja importante nos futuros motores em nanoescala e em memórias para computador. Igualmente, nas magnitudes agora alcançadas, os filmes flexoelétricos também poderão ser importante nesses dispositivos.

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