La piezorresistencia más grande medida a temperatura ambiente para un óxido

La piezorresistencia es el cambio en resistencia eléctrica de un material cuando es sometido a deformación por presión. En este trabajo se ha medido esta magnitud para capas delgadas de un óxido de Iridio (Sr2IrO4) utilizando un microscopio de fuerzas que permite aplicar presiones de más de 10 GPa. La conductividad del Sr2IrO4 medida en estas condiciones es 250 veces mayor que en condiciones normales. La piezorresistencia medida es mayor que la observada en nanohilos de Silicio y en grafeno. Además, es más robusta y reversible: pudiendo realizar la experiencia más de 500 veces seguidas sin deterioro notable del material.

El fenómeno es debido al hecho de que, en ciertos materiales semiconductores, el band gap se modifica, reduciéndose bajo presión. Esto permite que los electrones de la banda de valencia accedan a la banda de conducción y disminuya la resistencia eléctrica. En otras palabras, cuando el material es sometido a presión conduce mejor.

El efecto de altas presiones hidrostáticas en las transiciones de fase, incluyendo transiciones metal-aislante, en óxidos se ha estudiado durante décadas. Más recientemente, se ha empezado a estudiar el efecto de la tensión biaxial en películas delgadas de óxido, que ha sido explotado en forma de ingeniería de la tensión para controlar y modular distintas propiedades, entre ellas la conductividad. A diferencia de tensión hidrostática y biaxial, el efecto del estrés uniaxial ha sido mucho menos explorado, tal vez porque se cayó en algún lugar entre el interés ciencia fundamental de los estudios de presión hidrostática y la utilidad práctica de la ingeniería de tensión. Sin embargo, las recientes propuestas de conceptos de nuevos dispositivos – en especial, “transistor piezoresistivo” o PETs de IBM – proponen deformación vertical de películas delgadas piezoresistivos como el núcleo de las tecnologías potencialmente útiles. En este contexto, los óxidos surgen como unos de los materiales más interesantes para los estudios de piezoresistividad perpendicular, debido a su combinación de dos características útiles: (i) muchos óxidos son sistemas de electrones fuertemente correlacionados, donde las pequeñas distorsiones de la red producen cambios muy grandes en el ancho de banda electrónico, y (ii) los óxidos se pueden combinar de forma natural en heteroestructuras aprovechando, por ejemplo, la piezoelectricidad de ferroeléctricos con la piezoresistencia de los sistemas correlacionados. Así se abre un amplio rango de posibles aplicaciones, desde su uso como sensores de presión y deformación hasta su aplicación en nuevos conceptos como el de PETs o dispositivos nano- y microelectrónicos donde la corriente es controlada por presión en lugar de hacerse por voltaje.

Entre los óxidos, los iridatos han sido objeto de estudio debido a su inusualmente fuerte acoplamiento espín-órbita, que abre un gap estrecho en un material que de otra manera sería un metal. El estado aislante es muy sensible a perturbaciones externas. Es por eso que una compresión vertical, ejercida por la punta de un microscopio de fuerzas atómicas estándar, es capaz de producir a temperatura ambiente cambios de varios órdenes de magnitud en la resistividad del Sr2IrO4. La gran sensibilidad de la estructura electrónica de este material a deformaciones anisótropas, añadido al gran valor del cambio y la reversibilidad del proceso, hacen pensar en estos materiales como importantes componentes de dispositivos basados en este fenómeno.

Con la importante aportación de investigadores jóvenes, el trabajo publicado en Nanoscale ha sido fruto de una colaboración internacional. Las muestras han sido producidas en la Universidad de California (USA) y el estudio experimental realizado en el Instituto Catalán de Nanociencia y Nanotecnología y el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona.

Dada la extrema sensibilidad del estado aislante del Sr2IrO4 a perturbaciones externas, una compresión vertical ejercida por la punta de un microscopio de fuerzas atómicas estándar, es capaz de producir a temperatura ambiente cambios de varios órdenes de magnitud en su resistividad. Neus Domingo. ICNN.

Dada la extrema sensibilidad del estado aislante del Sr2IrO4 a perturbaciones externas, una compresión vertical ejercida por la punta de un microscopio de fuerzas atómicas estándar, es capaz de producir a temperatura ambiente cambios de varios órdenes de magnitud en su resistividad. Neus Domingo. ICNN.

Neus Domingo, ICNN.