Nuevos materiales ferroeléctricos a partir de carburos de lantánidos

En los últimos años, los investigadores han estado interesados en materiales que pueden cambiar sus propiedades eléctricas cuando se les aplican fuerzas. Un grupo de materiales interesantes se llama ferroeléctricos. Estos materiales tienen una característica única donde pueden tener una Polarización eléctrica espontánea, que se puede cambiar al aplicar un campo eléctrico. Esta propiedad los hace útiles en varios dispositivos como sensores, capacitores y dispositivos de memoria.

Este artículo se enfoca en un tipo especial de materiales ferroeléctricos hechos de carburos de elementos lantánidos. Estos materiales son bidimensionales (2D), lo que significa que son láminas delgadas que solo tienen unos pocos átomos de grosor. Los materiales específicos de los que se habla aquí son aquellos que contienen oxígeno en su superficie y tienen la fórmula MCO, donde M puede ser elementos como gadolinio (Gd), terbio (Tb) y disprosio (Dy).

#Ferroeléctricos y su Importancia

Los materiales ferroeléctricos han atraído mucha atención desde su descubrimiento en los años 20. Son conocidos por su comportamiento complejo y aplicaciones únicas en dispositivos electrónicos. Con el creciente interés en materiales 2D, los científicos han comenzado a investigar la ferrolectricidad no solo en materiales tridimensionales, sino también en aquellos que son mucho más delgados.

La mayoría de los estudios iniciales sobre la Ferroelectricidad 2D se concentraron en materiales específicos. Sin embargo, muy pocos materiales 2D mostraron este comportamiento único. Así, los investigadores enfrentaron desafíos para encontrar nuevos materiales ferroeléctricos que pudieran ser utilizados prácticamente en dispositivos. Un cambio ocurrió cuando se modificaron materiales no ferroeléctricos mediante la adición de varios grupos funcionales, lo que podría inducir características ferroeléctricas. Por ejemplo, el grafeno, un material 2D bien conocido, podría hacerse ferroeléctrico cuando se le funcionaliza con ciertos grupos.

Este campo en avance ha abierto muchas posibilidades para crear materiales ferroeléctricos 2D, llevando a materiales con propiedades notables que pueden tener aplicaciones útiles en electrónica.

#Investigando Carburos de Lantánidos

El enfoque de este estudio es en los carburos 2D de lantánidos con la composición MCO. Los investigadores realizaron cálculos para estudiar las propiedades que surgen de agregar oxígeno a estos materiales. Durante su investigación, descubrieron que estos carburos funcionalizados con oxígeno se convirtieron en materiales ferroeléctricos.

Los cálculos revelaron dos estructuras o fases estables para estos materiales. Una de estas fases exhibió propiedades ferroeléctricas, mientras que la otra fue anti-ferroelectrica. La fase ferroeléctrica es típicamente favorecida al observar los niveles de energía, indicando que es más estable.

Curiosamente, aplicar tensión o deformación en el plano de estos materiales puede cambiar de una fase a otra. Este cambio puede resultar en un ajuste lineal de la propiedad ferroeléctrica, así como un cambio en el tipo de brecha de banda que tienen de directa a indirecta.

#Propiedades Únicas de las Estructuras MCO

Las nuevas estructuras MCO descubiertas tienen propiedades fascinantes. La fase con una brecha de banda directa es particularmente interesante porque muestra comportamientos electrónicos y ópticos similares en todas las direcciones en el plano. Esta isotropía mejora su potencial para la absorción de luz en la región ultravioleta.

El equipo también destacó el potencial de estos materiales para aplicaciones en optoelectrónica, donde la luz y la electricidad interactúan. La investigación sobre estos nuevos materiales podría llevar a avances en varias tecnologías como dispositivos fotovoltaicos, LED y otros componentes electrónicos.

#Funcionalización de Electridos

Los electridos son una clase de materiales donde los electrones están atrapados en cavidades entre átomos cargados positivamente. El estudio toca cómo se comportan estos electridos cuando se funcionalizan con átomos de oxígeno. Al agregar oxígeno, los electrones que antes contribuían a las propiedades metálicas se involucran en nuevos enlaces, transformando su comportamiento.

Usando simulaciones por computadora, se demostró que estos materiales pasaron de metálicos a semiconductores como resultado de la funcionalización. La estructura electrónica luego mostró que tenían una brecha de banda indirecta, que es importante para aplicaciones en electrónica donde se necesitan transiciones de energía.

#Estabilidad y Dinámica de Fonones

Los investigadores analizaron la estabilidad del espectro de fonones de estos materiales MCO. Los fonones se pueden entender como vibraciones dentro de la estructura del material. El estudio encontró que ambas fases de MCO son dinámicamente estables, lo que significa que pueden mantener su integridad estructural cuando se les somete a fluctuaciones, lo cual es crucial para su usabilidad en aplicaciones del mundo real.

#Polarización Eléctrica

La polarización eléctrica en la fase ferroeléctrica surge debido al movimiento de los átomos de carbono en relación con los átomos de oxígeno. Cuando estos átomos se desplazan hacia una de las capas de lantánidos, se crea un dipolo eléctrico. Este dipolo es significativo para el comportamiento ferroeléctrico del material, lo que significa que puede mantener una polarización eléctrica incluso en ausencia de un campo eléctrico externo.

El artículo discute cómo invertir esta polarización se puede lograr desplazando los átomos de carbono uniformemente hacia la capa opuesta de lantánidos. Esta propiedad hace que el material sea útil para aplicaciones donde los campos eléctricos pueden necesitar cambiar con frecuencia.

#Efectos de la Deformación en las Estructuras MCO

Aplicar tensión a estos materiales también puede impactar sus propiedades electrónicas. El estudio discute cómo las tensiones compresivas y tensiles pueden modificar la brecha de banda y la polarización eléctrica de las estructuras MCO. Por ejemplo, aplicar tensión compresiva aumenta la brecha de banda electrónica y puede incluso convertir el material de una brecha de banda indirecta a una directa.

Esta transformación resalta la versatilidad de estos materiales, ya que pueden adaptarse a cambios en su entorno. Así, podrían emplearse en varias aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas, donde pueden estar presentes fuerzas mecánicas.

#Propiedades Ópticas

Se analizaron las propiedades ópticas de los materiales MCO bajo tensión, mostrando que exhiben una absorción significativa en la región ultravioleta. Esta característica los hace atractivos para su uso en dispositivos que requieren una absorción o conversión de luz eficiente.

Los investigadores sugirieron que las características de absorción isotrópica hacen que estos materiales sean adecuados para una variedad de aplicaciones, llevando a posibles avances en cómo la luz y la electricidad interactúan en dispositivos.

#Implicaciones de las Propiedades Magnéticas

Aunque este artículo se centra principalmente en las propiedades eléctricas, los investigadores tocaron los aspectos magnéticos de estos materiales. El gadolinio, uno de los elementos lantánidos, es conocido por sus propiedades magnéticas. Sin embargo, el estudio reveló que el orden magnético en estos materiales no altera significativamente el comportamiento ferroeléctrico observado.

Esto significa que, aunque las estructuras MCO pueden tener propiedades magnéticas intrínsecas, su utilidad primaria en aplicaciones probablemente esté vinculada a sus características eléctricas.

#Conclusión

En resumen, la exploración de carburos 2D terminados en oxígeno de elementos lantánidos ha revelado nuevos materiales prometedores que podrían tener un impacto significativo en aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas. La capacidad de inducir comportamiento ferroeléctrico mediante la funcionalización de la superficie, combinada con propiedades electrónicas y ópticas ajustables a través de la deformación, posiciona a estos materiales como candidatos valiosos para futuras innovaciones tecnológicas.

Esta nueva clase de materiales puede potencialmente remodelar cómo abordamos el diseño de dispositivos que dependen de la ferroelectricidad y la interacción de la luz. Más experimentos y desarrollos en la síntesis de estos materiales podrían llevar a descubrimientos en varios campos, incluyendo energía, electrónica y tecnologías de sensores. Los investigadores se mantienen optimistas sobre las aplicaciones potenciales que estos fascinantes nuevos materiales pueden ofrecer en el futuro.