Miden un cambio récord de conductividad sometiendo un semiconductor a gran presión

Miembros del  Investigadores del Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnologia (ICN2) han medido a temperatura ambiente los valores más altos de piezoresistividad jamás registrados en ningún material electrocerámico, superando también los registros de materiales de referencia como los nanohilos de silicio o el grafeno.

Además, han hecho la medida con una técnica sencilla que evita la necesidad de disponer de grandes equipamientos de control de la presión. La investigación, publicada en la revista Nanoscale,  la ha llevado a cabo el Grupo de Nanoelectrónica de Óxidos encabezado por el profesor ICREA Gustau Catalan, y como primera firmante figura la doctora Neus Domingo.

La piezoresistividad es un fenómeno que consiste en que ciertos materiales cambian su conductividad eléctrica cuando se les aplica una presión que los deforma. Eso es debido al hecho que los aislantes y los semiconductores tienen unas características eléctricas muy especiales que crean bandas con distintas propiedades: la banda de valencia, donde los electrones están ‘aparcados’, y la banda de conducción, por donde circula la corriente eléctrica. Estas bandas están separadas por una barrera de energía; cuanto más baja es esta barrera, mayor es el número de electrones en la banda de conducción y, por lo tanto, más alta es la conductividad eléctrica.

Al aplicar una presión sobre algunos materiales semiconductores se modifica la altura de la barrera que separa la banda de valencia y la de conducción, facilitando el salto de los electrones a la banda de conducción y disminuyendo por lo tanto la resistencia eléctrica del material. En otras palabras, cuando apretamos el material, conduce mejor la electricidad. Esto tiene un amplio abanico de aplicaciones posibles, que van desde sensores de presión hasta transistores microelectrónicos donde la corriente está regulada por presión en lugar de voltaje.

Una punta nanoscópica para estudiar grandes presiones

En los laboratorios del ICN2, los investigadores han medido una piezoresistividad enorme en un material cerámico, el iridato de estroncio (Sr₂IrO₄). Las medidas se han efectuado con un microscopio de fuerza atómica (AFM), un aparato que utiliza las agujas nanoscópicamente afiladas que permiten apretar el material y a la vez medir su conductividad. De hecho, se trata de una manera nueva e imaginativa de utilizar este equipamiento, ya que es la primera vez que la punta del microscopio AFM se utiliza para medir la piezoresistividad de un material.

La punta del AFM es tan pequeña que una fuerza minúscula resulta en valores de presión muy elevados. Menos de 1 mg de fuerza (equivalente al peso de una hormiga), aplicada sobre una punta nanoscópica, se traduce en presiones de 100 toneladas (el peso de 20 elefantes) por centímetro cuadrado. De hecho, las presiones son tan altas (hasta 10GPa) que, para evitar que las puntas del microscopio se aplasten, se utilizan puntas de diamante.

Con estas presiones se ha conseguido hacer que el Sr₂IrO₄ conduzca 250 veces más electricidad. Además, a pesar de aplicar deformaciones un número repetido de veces (más de 500), la muestra no ha sufrido desperfectos; y la piezoresistividad se ha medido a temperatura ambiente.

Todo esto hace que dicho semiconductor sea un buen candidato para futuras aplicaciones en sensores, nuevos tipos de transistores y otros dispositivos electrónicos especializados. Desafortunadamente, el iridio es un material muy poco abundante en nuestro planeta, y los científicos ya están buscando materiales alternativos.

Las muestras para esta investigación han sido fabricadas en la Universidad de California (EE UU) y el estudio se ha realizado en el ICN2 en colaboración con el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB). La financiación de este proyecto se ha obtenido principalmente del European Research Council (ERC) Consolidator Grant y de un proyecto del Plan Nacional de Excelencia Investigadora del profesor Catalan.