I ferroelettrici sono una classe speciale di materiali che possono essere commutati tra due stati di polarizzazione elettrica opposti applicando un campo elettrico esterno. Questa proprietà li rende ideali per l'uso in una varietà di dispositivi elettronici, come chip di memoria e sensori.
Negli ultimi anni c’è stato un crescente interesse nello sviluppo di ferroelettrici organici come alternativa agli ossidi inorganici. I ferroelettrici organici presentano numerosi vantaggi rispetto agli ossidi inorganici, tra cui flessibilità, basso costo e facilità di lavorazione. Tuttavia, i ferroelettrici organici sono stati generalmente meno efficienti e stabili rispetto alle loro controparti inorganiche.
Il nuovo materiale ferroelettrico organico sviluppato dal team guidato dall'OIST si basa su una molecola chiamata [N-(4-bromobenzil)-2,5-dimetilpirrolo-3-carbossammide]. Questa molecola fa parte di una classe di composti noti come "triazoli", che hanno dimostrato di avere promettenti proprietà ferroelettriche.
I ricercatori hanno scoperto che il nuovo materiale ferroelettrico organico a base di triazolo aveva un’elevata costante dielettrica, che è una misura della sua capacità di immagazzinare energia elettrica. Il materiale ha mostrato anche un alto grado di polarizzazione, che è una misura della sua capacità di passare tra i suoi due stati di polarizzazione elettrica opposti.
Inoltre, il nuovo materiale ferroelettrico organico si è rivelato stabile alle alte temperature e in campi elettrici elevati. Ciò lo rende un candidato promettente per l’uso in dispositivi elettronici che funzionano in condizioni difficili.
Lo sviluppo di questo nuovo materiale ferroelettrico organico rappresenta un significativo passo avanti nel campo dell'elettronica organica. Questo materiale potrebbe essere potenzialmente utilizzato in una varietà di dispositivi elettronici, come chip di memoria, sensori e dispositivi di accumulo di energia.
Un gruppo di ricerca guidato dal professor Takeharu Sakurai dell'Unità di ottica non lineare dell'Unità Materiali e dispositivi dell'OIST ha studiato una piccola molecola organica e ha scoperto che ha un'elevata polarizzazione elettrica. Il risultato fornisce una forte indicazione del fatto che il materiale potrebbe diventare un ferroelettrico organico. La ferroelettricità è un fenomeno in cui la polarizzazione elettrica spontanea in un materiale può essere invertita, spesso applicando un campo elettrico. Ad esempio, i materiali ferroelettrici sono ampiamente utilizzati nei condensatori, che immagazzinano cariche elettriche o energia elettrica, e nei sensori che rilevano cambiamenti di accelerazione, movimento o temperatura.
Sebbene le molecole organiche possiedano interessanti proprietà elettroniche, magnetiche, optoelettroniche e meccaniche, i ferroelettrici organici sono difficili da sintetizzare a causa delle loro strutture cristalline, che impediscono la formazione di polarizzazione elettrica spontanea.
Gli ossidi ferroelettrici vengono utilizzati convenzionalmente, ma si tratta tipicamente di materiali inorganici composti da ioni metallici e ossigeno, difficili da lavorare e vulnerabili alle forze esterne. Lo sviluppo di un ferroelettrico organico composto da carbonio, idrogeno, azoto, ossigeno, zolfo e altri elementi potrebbe potenzialmente risolvere tali problemi.
Tuttavia, il team guidato dal professor Sakurai ha utilizzato una piccola molecola organica denominata [N-(4-bromobenzil)-2,5-dimetilpirrolo-3-carbossammide] con una struttura a strati bidimensionale ed è riuscita a sintetizzare il ferroelettrico organico. Il materiale sintetizzato mostra un'elevata polarizzazione elettrica a circa 8 micro-Coulomb per centimetro quadrato (μC/cm2) con un campo elettrico applicato di 104 volt per micrometro (V/μm).
Per confronto, il gruppo di ricerca ha valutato i ferroelettrici organici e inorganici riportati in precedenza e ha scoperto che il ferroelettrico organico sintetizzato presenta una polarizzazione elettrica sufficientemente elevata. Sebbene la polarizzazione elettrica del materiale sintetizzato sia ancora inferiore a quella dei ferroelettrici a base di ossidi inorganici ampiamente utilizzati, è dello stesso ordine di quella dei polimeri, che sono materiali elettronici organici ampiamente utilizzati.
Il professor Sakurai mira a migliorare ulteriormente la polarizzazione elettrica del ferroelettrico organico modificando la struttura del materiale e utilizzando droganti. "Per ottenere una polarizzazione elettrica paragonabile o migliore dei ferroelettrici a base di ossidi inorganici ampiamente utilizzati, probabilmente ci vorrà più tempo", afferma Sakurai. "Tuttavia, siamo ottimisti riguardo al nostro materiale ferroelettrico di nuova concezione, che in futuro potrebbe essere utilizzato come condensatore, sensore/attuatore piezoelettrico o come componente di dispositivi di memoria organica non volatile."
