La microscopia a forza di risposta piezoelettrica (PFM) è la tecnica più diffusa per caratterizzare le proprietà piezoelettriche su scala nanometrica, cioè., per determinare la capacità di alcuni materiali di generare elettricità quando sottoposti a sollecitazioni meccaniche e deformarsi in risposta a una tensione. La piezoelettricità è utilizzata in un'ampia varietà di applicazioni, comprese le ecografie in gravidanza, motori ad iniezione, sensori che misurano le deformazioni, attuatori e sonar, tra gli altri. La microscopia a forza di risposta piezoelettrica non solo determina se un materiale è piezoelettrico, ma anche il suo grado di piezoelettricità, ed è particolarmente importante per le applicazioni di questi materiali in microelettronica e nanotecnologia.

Ora, un team di ricercatori del Laboratorio di Metodi Computazionali e Analisi Numerica (LaCàN) dell'Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) e dell'Istituto Catalano di Nanoscienze e Nanotecnologie (ICN2) ha dimostrato teoricamente e sperimentalmente che la tecnica PFM può generare falsi positivi quando la piezoelettricità di un materiale viene misurata su scala nanometrica. La tecnica PFM consiste nell'applicare una tensione alla superficie di un materiale tramite una punta elettricamente conduttrice in un microscopio a forza atomica (AFM). La punta microscopica stessa rileva la deformazione del materiale in risposta alla tensione; il coefficiente piezoelettrico si ottiene dividendo la deformazione per la tensione. I ricercatori mostrano, però, che l'applicazione di una tensione con una punta nanoscopica può generare deformazioni in qualsiasi materiale, piezoelettrico o meno. In altre parole, qualsiasi materiale misurato con un microscopio a forza di risposta piezoelettrica fornisce un coefficiente piezoelettrico diverso da zero, anche se non è piezoelettrico.

La causa di questo curioso comportamento è la flexoelettricità, un fenomeno che si verifica su scala nanometrica per cui tutto il materiale emette una piccola tensione quando viene applicata una pressione disomogenea, oppure si deforma quando gli viene applicato un campo elettrico disomogeneo. Questo è precisamente il tipo di campo generato da punte microscopiche.

La flexoelettricità può non solo far apparire erroneamente un materiale piezoelettrico, ma può anche alterare il coefficiente piezoelettrico dei materiali che sono piezoelettrici. Ciò ha conseguenze molto importanti per la caratterizzazione di dispositivi piezoelettrici in microelettronica. I risultati implicano che d'ora in poi, le misurazioni effettuate con PFM per caratterizzare i materiali in questi dispositivi dovrebbero tenere conto dell'effetto della flexoelettricità.

"Stiamo studiando la flessoelettricità dal punto di vista computazionale, che coinvolge molte manifestazioni fondamentali della fisica, " spiega la ricercatrice LaCàN Irene Arias, aggiungendo, "Abbiamo scoperto che la tecnica PFM può presentare falsi positivi perché non solo misura la piezoelettricità, cioè la risposta ad un campo elettrico, ma anche flexoelettricità. Abbiamo sviluppato un modello che ci permette di quantificare queste risposte e, perciò, separare la parte piezoelettrica dalla parte flessoelettrica."