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Los ingenieros de la Universidad de California, Berkeley (EE.UU.) , han demostrado que es posible reducir la tensión mínima necesaria para almacenar la carga en un condensador, un logro que podría reducir el consumo de energía y la generación de calor de los actuales dispositivos electrónicos.

En la imagen se muestra una versión experimental de una pila hecha con una capa de  titanato de plomo y zirconio, un material ferroeléctrico. Investigadores de UC Berkeley demostraron que esta configuración podría amplificar la carga en la capa de titanato de estroncio, un aislante eléctrico, para un determinado voltaje, un fenómeno conocido como capacidad negativa. (Imagen Asif Khan)

Los investigadores han  presentado una demostración que prueba el concepto de efecto negativo de capacidad en una escala nanométrica en una heteroestructura ferroeléctrico-dieléctrico. En una bicapa de ferroeléctricos Pb (Zr0.2Ti0.8) O3 y el dieléctrico SrTiO3, la capacidad del compuesto se observó  era superior que la del constituyente SrTiO3, lo que indica una capacidad efectiva negativa del  constituyentes Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 . La temperatura se muestra como un parámetro de ajuste efectivo de la capacidad ferroeléctrica negativa y el grado de mejora de capacidad en la heteroestructura.   Los cálculos basados en la teoría del campo medio de Landau muestran un acuerdo cualitativo con los efectos observados. Este trabajo sostiene la posibilidad de que mediante la sustitución de las puertas de óxido por ferroeléctricos en transistores a nanoescala, la pendiente puede descender por debajo del umbral  límite clásico (60 mV / década).

El equipo publicó sus resultados  el 12 de septiembre ne la revista Applied Physics Letters. El experimento prepara el escenario para una importante actualización de los transistores, el interruptor de encendido y apagado que genera los ceros y unos del lenguaje binario de los ordenadores.

«Este trabajo es la prueba del principio que es necesario para llevar adelante la capacidad negativa como una estrategia viable para superar el consumo de energía de los actuales transistores», dijo Salahuddin, el primero que teorizó la existencia de capacidad negativa en materiales ferroeléctricos, como estudiante de posgrado con el profesor de ingeniería Supriyo Datta en la Universidad de Purdue (EE.UU.). «Si podemos usar esto para crear transistores de bajo consumo de energía sin comprometer el rendimiento y la velocidad con la que trabajan, se podría cambiar la industria de la informática general.»

Los investigadores han emparejado un material ferroeléctrico, titanato de plomo y zirconio (PZT), con un aislante dieléctrico, titanato de estroncio (STO), para crear una pila de dos capas. El voltaje se aplica a esta estructura PZT-STO, así como a una capa de STO sola, y se compara la cantidad de carga almacenada en ambos dispositivos.

«Hubo una caída de tensión en espera de obtener una carga específica con el material dieléctrico», dijo Salahuddin. «Pero con la estructura ferroeléctrica, hemos demostrado una mejora de la tensión de dos veces con la carga con el mismo voltaje, y que el aumento podría ser mucho más elevado.»

La solución propuesta por Saladino y su equipo consiste en modificar los transistores actuales para que incorporen materiales ferroeléctricos en su diseño, un cambio que podría generar una carga mayor de un voltaje menor. Esto permitirá a los ingenieros hacer un transistor que disipe menos calor.

En particular, el sistema con el material que los investigadores de UC Berkeley informaron, muestra este efecto por encima de 200 grados Celsius, mucho más caliente que los 85 grados a que trabajan los actuales microprocesadores.

Los investigadores ahora están explorando nuevos materiales ferroeléctricos para  capacidad negativa  a temperatura ambiente, además de la incorporación de los materiales en un nuevo transistor

Hasta entonces, Salahuddin señala que existen otras posibles aplicaciones en la electrónica para los ferroeléctricos. «Este es un buen sistema para memorias dinámicas de acceso aleatorio, dispositivos de almacenamiento de energía, súpercondensadores que impulsen los coches eléctricos y condensadores de potencia para su uso en comunicaciones de radio frecuencia».

Fuente:  Experimental evidence of ferroelectric negative capacitance in nanoscale heterostructures