Alcuni materiali possono generare una piccola tensione quando piegati e, al contrario, può piegarsi in risposta a una tensione. Questo fenomeno è chiamato flexoelettricità, e fino ad ora, si pensava che l'effetto esistesse solo negli isolanti elettrici (materiali che non conducono elettricità). Però, un gruppo di ricerca dell'Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) di Barcellona riferisce oggi in un articolo su Natura che gli effetti di tipo flessoelettrico sono più onnipresenti di quanto si pensasse in precedenza. I ricercatori dell'ICN2 riferiscono che i semiconduttori, che si può pensare a metà tra isolanti elettrici e metalli veri e propri, generano anche elettricità in risposta alla flessione.

Questo è importante perché i semiconduttori sono una famiglia comune di materiali comunemente usati nei transistor (il cuore dei circuiti integrati) e nelle celle fotovoltaiche. I nuovi risultati mostrano che in linea di principio è possibile utilizzarli come sensori di pressione e microgeneratori elettrici.

Gli autori dello studio sono la dottoressa Jackeline Narvaez, Dottorando Fabián Vásquez-Sancho, e il Professore di Ricerca ICREA Gustau Catalan.

Flessoelettricità diffusa

La flexoelettricità si verifica come conseguenza di qualsiasi asimmetria nella deformazione di un materiale. La piegatura di un materiale costringe gli atomi ad avvicinarsi l'uno all'altro all'interno della curvatura, e più distanti all'esterno. Questa ridistribuzione degli atomi forza la ridistribuzione delle loro cariche elettriche, che può essere sfruttato per stabilire una corrente elettrica tra l'interno e l'esterno della curva.

Fino ad ora, si sapeva che tutti gli isolanti elettrici possono essere flessoelettrici. La sorprendente scoperta degli scienziati dell'ICN2 è che i semiconduttori possono anche essere flessoelettrici – e infatti, possono generare più carica degli isolanti. L'ingrediente chiave di questa nuova elettricità indotta dalla flessione è nella superficie dei materiali.

La superficie è il dispositivo

Il Natura articolo, pubblicato oggi online, descrive come i cristalli di un materiale inizialmente isolante sono in grado di generare 1000 volte più elettricità di flessione quando vengono drogati per diventare semiconduttori. Il motivo è che, sebbene l'interno di questi cristalli diventi conduttivo a causa del doping, le superfici rimangono isolanti. Ciò significa che le superfici non solo possono ancora polarizzarsi, ma in più, ricevono una spinta di carica extra dall'interno semiconduttore.

Poiché la risposta elettromeccanica nei semiconduttori è dominata dalla superficie piuttosto che dalla massa, gli autori chiamano questo effetto "simile alla flexoelettrico". La risposta è identica alla flexoelettricità da un punto di vista pratico - è una corrente elettrica generata in risposta alla flessione - ma diversa dal punto di vista fondamentale della sua origine.

È inoltre degno di nota il fatto che la misurazione della risposta flessoelettrica della superficie sia di per sé un'importante pietra miliare scientifica. In tutte le misurazioni precedenti, che sono stati eseguiti in isolanti invece che in semiconduttori, il segnale di superficie era sempre mescolato con il segnale di massa proveniente dall'interno del cristallo. Questa è la prima volta che la risposta della superficie è stata misurata separatamente.

I semiconduttori flexoelettrici sono competitivi anche su scala macro

La flexoelettricità tradizionale (cioè la flexoelettricità degli isolanti) è importante su scala nanometrica. Fino ad ora, però, non era pratico alla macroscala. Anziché, l'effetto dominante su macroscala era la piezoelettricità, per cui alcuni materiali generano elettricità in risposta alla compressione, piuttosto che piegarsi. Il motivo è che i materiali sono molto più difficili da piegare quando sono spessi (macroscala) rispetto a quando sono sottili (nanoscala), che è intuitivo:basti pensare a quanto sia più difficile piegare un libro di 1000 pagine rispetto a piegare un foglio di carta.

Però, la risposta simil-flexoelettrica dei semiconduttori ha una caratteristica importante:aumenta con lo spessore del materiale. Così, la perdita di flessibilità è compensata dall'aumento della flexoelettricità, e questo permette una resa competitiva indipendentemente dallo spessore del dispositivo. In modo cruciale, questa risposta di tipo flessoelettrico può in linea di principio essere presente in qualsiasi materiale semiconduttore, considerando che la piezoelettricità è possibile solo in un numero limitato di materiali, i migliori dei quali sono a base di piombo e quindi tossici.

Gli autori sono così convinti della potenziale utilità della loro scoperta che hanno depositato un brevetto e stanno attualmente cercando partner industriali per sviluppare applicazioni tecnologiche di flexoelettricità a semiconduttore.