Piezoelétricos e Ferroelétricos

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De acordo com a literatura, os materiais abaixo apresentam ou são previstos a apresentar as propriedades de piezoeletricidade e/ou ferroeletricidade na forma de filmes finos.

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MoS2          MoSe2          WS2          WSe2          SnSe          SnS

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 GeSe           GeS               AlSb          GaP            GaAs          GaSb

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InP             InAs              InSb          CrSe2         CrTe2         CaO

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                                                                     CdO            ZnO              InN           In2Se3        BaTiO3

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Piezoeletricidade é a propriedade que certos materiais apresentam de originar uma diferença de potencial elétrico em suas extremidades em resposta a um estresse mecânico (deformação) aplicado ou, inversamente, de variar suas dimensões físicas em resposta a uma tensão elétrica aplicada. Essa propriedade normalmente surge em materiais que possuem estrutura cristalina sem simetria central, a qual induz o aparecimento de uma polarização elétrica ao longo de uma determinada direção. Os materiais cristalinos são divididos em 32 grupos cristalográficos, dentre os quais 21 não apresentam simetria central e originam a piezoeletricidade com excessão do grupo 432. São eles: 1, 2, m, 222, 2mm, 3, 32, 3m, 4, , 422, 4mm, 2m, 6, , 622, 6mm, 2m, 23 e 3m [1].

Os materiais mais comumente usados na fabricação de dispositivos piezoelétricos são:

SiO2 (quartzo)

PZT (Titanato zirconato de chumbo - Pb(ZrxTi1-x)O3 )

BaTiO3 (Titanato de bário)

BiFeO3 (Ferrita de bismuto)

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A ferroeletricidade é um subgrupo da piezoeletricidade, no qual certos materiais possuem uma polarização elétrica espontânea que pode ser revertida pela aplicação de um campo elétrico externo. Dessa forma, todos os materiais ferroelétricos também são piezoelétricos, no entanto com a propriedade adicional de que sua polarização elétrica natural é reversível.

 

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[1] https://dictionary.iucr.org/Piezoelectricity

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Al2O3 (alumina)

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• Camada antirreflexo para melhoramento de célula solares.

• Minimizar a corrente de fuga e maximizar a constante dielétrica de capacitores a base de SrTiO3 com estrutura metal-isolante-metal (MIM).

• Usado como o "bottom gate" de um transístor de filme fino (TFT).

• Usado como camada protetora de fotocatodos de Si em células fotoeletroquímicas para produção de H2.

• Melhoramento da sensibilidade e estabilidade da técnica Raman conhecida como "Surface-enhanced Raman scattering (SERS)".

• Aplicação em lógica CMOS e memórias Flash.

• Superfícies transparentes e repelentes à água.

• Usado para melhorar as propriedades de dispositivos eletrônicos flexíveis.

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CoAl2O4 (aluminato de cobalto)

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• É usado em diversas aplicações tecnológicas, como gravação magnética de alta densidade, dispositivos microondas, fluidos magnéticos, catálise heterogênea, materiais absorventes e pigmentos industriais.

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ZnAl2O4 (aluminato de zinco)

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• Muito utilizado como catalizador em diversas reações gasosas e possui grande potencial para aplicações de degradação fotocatalíticas.

 

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BaTiO3 + CoFe2O4

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• Sistema multiferróico de duas fases usado como uma alternativa aos multiferróicos de fase única. Esse sistema surgiu da busca por materiais que apresentassem um acoplamento mais forte entre suas ordens ferróicas (ex: ferromagnetismo e ferroeletricidade), já que nos de fase única esse acoplamento geralmente é muito fraco. Portanto, um novo sistema multiferróico pode ser alcançado através da combinação de uma fase ferroelétrica (BaTiO3 - perovskita) com uma fase ferrimagnética (CoFe2O4 - spinel).

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ZnO (óxido de zinco)

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• Devido ao seu largo gap de energia (3.37 eV) tem grande potencial para aplicações optoeletrônicas como diodo emissor de luz (LED), sendo um excelente candidato para substituir o GaN.

• Sua alta transmitância no visível associada com suas boas propriedades elétricas (especialmente quando dopado com alumínio, formando o AZO), tornam-o um substituto em potencial para o ITO em aplicações como óxidos condutores transparentes (TCO).

• Pode ser facilmente dopado com metais de transição para aplicações na Spintrônica.

• Apresenta boa estabilidade a radiações de alta energia e ao desgaste químico, o que permite aplicações na indústria aeroespacial.

• Por ser um excelente absorvedor de radiação ultravioleta, ele pode ser usado como camada protetora de lentes, dispositivos e polímeros.

• Tem grande potencial para aplicações como transistores transparentes de fimes finos (TTFT).

• Apresenta propriedades bastante interessantes de comutação resistiva, permitindo o estudo para aplicações em memórias resistivas de acesso aleatório (RRAM) e varistores de filmes finos.

• Possui uma resposta piezoelétrica (ao longo do eixo cristalográfico c) bastante apreciável para aplicações como dispositivos piezoelétricos.

• Quando dopado com alumínio, pode ser usado em janelas bloqueadoras de radiação infravermelho em aplicações de economia de energia.

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TiO2 (dióxido de titânio)

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• É um semicondutor com um largo gap de energia que é transparente à luz vizível e possui excelente transmitância óptica.

• Por possuir alto índice de refração e boas propriedades isolantes, ele é largamente utilizado como camada protetora de circuitos integrados e para fabricação de elementos ópticos.

• Células fotovoltaicas.

• Superfícies antirreflexivas.

• Sensores de gás.

• Displays eletrocrômicos.

• Guias de onda planar.

• Sua alta constante dielétrica permite apresentá-lo como uma alternativa ao dióxido de silício como camada dielétrica em memórias e dispositivos lógicos.

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YSZ (óxido de zircônio estabilizado com ítrio)

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• A adição de Y2O3 ao ZrO2 provoca o surgimento de vacâncias de oxigênio, tornando o composto YSZ um bom condutor iônico (O2-). Isso possibilita aplicações como célula combustível de óxido sólido (SOFC).

• Pela sua dureza e inércia química, é muito usado em implantes de ossos e dentes.

• Devido à sua propriedade refratária, ele é muito usado como barreira térmica em motores a jato e turbinas de combustão.

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SrTiO3 (titanato de estrôncio)

• Em capacitores ajustáveis de micoondas.

• Nos atuais displays de tela plana, como LCD, e nos futuros displays de emissão de campo (FEDs).

• Dispositivos para aplicações com microondas.

• Termistores PTC.

• Varistores.

• Termômetros insensíveis a campos magnéticos.

• Microscópios de varredura de ultra baixa temperatura.

• Detectores piroelétricos de infravermelho.

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BaTiO3 (titanato de bário)

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• É o material mais largamente usado como ferroelétrico e um dos mais importantes em aplicações de multicamadas dielétricas.

• Por apresentar o efeito fotorrefrativo ele é bastante interessante para aplicações em óptica não linear.

• Possui uma apreciável propriedade piezoelétrica.

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BaSrTiO3 (titanato de bário estrôncio)

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• É um dos candidatos mais promissores para aplicações como capacitor Metal-Isolante-Metal (MIM) para memória de acesso aleatório dinâmica (DRAM), pois exibe alta constante dielétrica, alta rigidez dielétrica, baixa perda dielétrica e boa estabilidade térmica. Dessa forma ele tem bastante potencial para substituir o SiO2 em aplicações dielétricas.