La Ferroelectricidad

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CONCURSOS D OM OM , A BR BR (/CONCURSOS)

¿Qué es la ferroelectricidad? La polarización no se puede conocer directamente a partir de mediciones de carga, debido a que el material podría tener eventualmente una polarización neta igual a cero o carga neta igual a cero, que es un estado de mínima energía libre al cual siempre tiende este tipo de materiales. Por tanto, para medir esta propiedad es necesario aplicar campos eléctricos externos. Cuando se aplica un campo eléctrico externo al material los dipolos eléctricos se alinearán en dirección del campo eléctrico aplicado, pero cuando se deja de aplicar el campo eléctrico no todos los dipolos vuelven a su estado de mínima energía, sino que muchos quedan apuntando en la dirección en que el campo se había aplicado; esta es la propiedad clave de los materiales ferroeléctricos. Por lo tanto los materiales ferroeléctricos presentan una polarización neta sin tener un campo eléctrico externo aplicado, y por eso estos materiales pueden retener información digital sin fuentes externas, por lo que su aplicación más importante es en memorias móviles tipo USB (pendrive). Cuando se aplica un campo eléctrico variable a un material ferroeléctrico, ferroeléctrico, entre un valor máximo positivo y un valor máximo negativo, se puede graficar en un osciloscopio la polarización versus el campo aplicado, que es la curva de histéresis, la cual da cuenta de que el campo eléctrico nulo posee una polarización remanente (Pr) y el campo eléctrico máximo posee una polarización espontánea (Ps).

Se encuentra ferroelectricidad en un sinnúmero de materiales, incluso en polímeros, pero solamente unos pocos materiales (/) están siendo investigados con respecto a la disminución del tamaño para la integración en memorias no-volátiles de alta densidad. La demanda científica y tecnológica reduce el número de candidatos para aplicaciones en memorias, debido a parámetros del material, confiabilidad y compatibilidad con los típicos

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procesos de fabricación. Las propiedades favorables serían una polarización remanente OM , A BR que debería proporcionar una corriente de desplazamiento grande; así mismo, (Pr)D grande,

una buena curva de histéresis debería ser cuadrada y el voltaje de operación debería ser un valor bajo (menor a 5 V), para compatibilizar los voltajes de operación de computadores móviles o PC. Pero la ferroelectricidad va decreciendo a medida que una o más dimensiones del ferroeléctrico van disminuyendo o, más exactamente, a medida que el tamaño de granos va disminuyendo. En otras palabras, este efecto de tamaño indica que la ferroelectricidad debería desaparecer en alguna dimensión crítica. Un valor razonable obtenido de la experimentación es que se ha encontrado ferroelectricidad alrededor de 50 nm (1 nm [nanómetro] es 1.000 veces menor que el micrómetro). Por tanto, si se quiere fabricar memorias ferroeléctricas, se debe tener presente que memorias de alta densidad (gran cantidad de megabytes [Mb]) significa menor dimensión del ferroeléctrico, lo cual disminuye la polarización remanente. Un parámetro aún no explorado es la morfología de los materiales ferroeléctricos, lo que significa que si estos materiales se fabrican tipo alambres o tubos, la ferroelectricidad podría confinarse en la dirección axial o perpendicular al alambre o tubo. Una aplicación importante que se ha pensado sobre memorias ferroeléctricas de alta densidad (Gb) sería fabricar computadores con discos duros enteramente de memorias ferroeléctricas, de tal modo que al apagarlos conserve su trabajo tal cual lo dejó, debido a que no habrá pérdida de información por corte de energía. Pero esto todavía no es una realidad.

¿Qué materiales ferroeléctricos existen? Los materiales ferroeléctricos más comunes que existen son cerámicas; entre ellos están:

Formula: (Sr,Ba)TiO3 Abreviación: SBT

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Nombre: Titanato de Bario Estroncio Formula: Pb(Zr,Ti)O3 Abreviación: PZT

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Nombre: Titanato Zirconato de plomo D OM , A BR

Formula: BaTiO3 Abreviación: BTO Nombre: Titanato de Bario Formula: Pb1-xLaxZr1-yTiyO3 Abreviación: PLZT Nombre: Titanato Zirconato de Plomo Lantamio Formula: Bi4Ti3O12 Abreviación: BiT Nombre: Titanato de Bismuto Todos estos materiales son sintéticos y tienen dos propiedades importantes: piezoelectricidad y ferrrolectricidad. La piezoelectricidad es la aparición de un voltaje eléctrico debido a que el material realiza un esfuerzo mecánico. Muchos de los materiales ferroeléctricos son también piezoeléctricos. El titanato de bario (BaTiO3) es el más popular porque fue el Micrófonos

primer compuesto sintetizado con características de ferroelectricidad, pero finalmente los compuesto usados

para las memorias ferroeléctricas son PZT SBT, BiT y otros. Cuando se fabricaron los prototipos, estos compuestos eran los que tenían mejor confiabilidad en la práctica que el titanato de bario. A pesar de que la mayoría de los compuestos ferroeléctricos en estado sólido son cerámicos, existen excepciones porque se ha encontrado ferroelectricidad en sistemas biológicos.

¿En qué otros dispositivos se utilizan? (/)

Por ejemplo, la aplicación importante era en tocadiscos para vinilos: la famosa aguja era un material piezoeléctrico. El esfuerzo mecánico de la aguja produce un voltaje que luego es amplificado y suena la música de los surcos por donde pasa. En micrófonos, la fuerza

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de la voz le imprime un voltaje que luego es amplificado en parlantes o en transmisiones de radio, etc. D OM , A BR

Otras aplicaciones importantes de los compuestos piezoeléctricos son estas: - En microscopios de efecto de túnel, para el cercamiento de la aguja sobre la superficie que se desea medir. - En válvulas ultrasensibles. - Para mediciones de velocidad de vehículos en carreteras y ciudades: se ponen elementos piezoeléctricos en la calle o carretera, y cuando los autos pasan por encima, producen un voltaje y se calcula el tiempo que demora un auto en pasar de un punto al otro, lo que permite calcular la velocidad; también se puede medir el flujo vehicular con este sistema. - Como dispositivo de ultrasonido para curar lesiones musculares. Aquí, el material cerámico se fabrica como vendas como el aparato para medir la presión arterial, esto es una aplicación médica de los materiales piezoeléctricos que son usados como generador de frecuencias ultrasónicas.En cambio, los ferroeléctricos tienen su aplicación más importante en la microelectrónica, como memorias no-volátiles. Sin desconocer que tienen otras propiedades que los hacen importantes: ópticas, electroópticas, piroeléctricas. Los materiales electroópticos sirven como interruptores de alta velocidad para cerrar y abrir el paso de ondas electromagnéticas en fibras ópticas.

¿Cuál es su ventaja comparativa? Las memorias USB (pendrives) son resistentes a la radiación, no se perderá información si se le pone cerca de un gran transformador o línea de transmisión de energía eléctrica u otras fuentes de radiación como rayos X. En otras palabras, las memorias ferroeléctricas están diseñadas para computadores que formen parte de misiones espaciales, de modo que si la nave pasa por zonas de fuertes radiaciones, las computadoras no perderán información. Los materiales ferroeléctricos han probado su resistencia a las altas radiaciones. Es la ventaja comparativa más importante que poseen.

La ferroelectricidad es el poder retener información, es decir, retener los bits dejados en una memoria sin tener una fuente (/) externa. Un computador actual se apaga y pierde todo lo que hay en la memoria RAM; en cambio, el pendrive conserva la información a pesar de no recibir energía eléctrica de una pila u otro elemento.

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