El calor es el principal mecanismo de pérdida de energía de la mayoría de los procesos industriales y también de los dispositivos electrónicos. Para gestionar y reaprovechar el calor de forma más eficiente, una investigación liderada por la Universidad de Barcelona ha desarrollado un prototipo de memoria térmica que es capaz de controlar el flujo de calor mediante pequeños voltajes eléctricos. Esta innovación, publicada en la revista
Advanced Materials, tiene implicaciones potenciales en la gestión inteligente del calor, la conversión de energía y el aprovechamiento de la energía térmica.
La investigación la dirige el profesor Eric Langenberg, del Departamento de Física de la Materia Condensada de la Facultad de Física y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología (IN2UB) de la UB, y tiene como primer autor al experto Dídac Barneo (UB-IN2UB).
También participan expertos del Centro Singular de Investigación en Química Biológica y Materiales Moleculares (CiQUS), ubicado en la Universidad de Santiago de Compostela, el Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (ICMM-CSIC), el Instituto de Ciencia de Materiales de Barcelona (ICMAB-CSIC) y la Universidad de Zaragoza (UNIZAR).
Controlar el calor en dispositivos electrónicos
El trabajo aborda uno de los grandes retos de la electrónica actual: el control del calor en dispositivos electrónicos. «Esta investigación podría abrir la puerta al desarrollo de una nueva tecnología de almacenamiento de la información basada en el calor en lugar de la electricidad», detalla el profesor Langenberg.
El prototipo está integrado por una estructura sólida formada por una capa de oro sobre una capa ultrafina (de siete nanómetros de espesor) de un óxido ferroeléctrico de hafnio y circonio (Hf0.5Zr0.5O2), que se deposita sobre un sustrato conductor de iones de oxígeno (zirconia estabilizada con itrio, YSZ).
Cuando se aplican pequeños voltajes entre el oro y el sustrato, la conductividad térmica del óxido ferroeléctrico se modifica de forma reversible entre dos estados: alta conductividad térmica (con voltajes positivos) o baja conductividad térmica (voltajes negativos).
«El voltaje aplicado permite describir dos estados térmicos distintos y modular a voluntad la facilidad con la que el calor atraviesa el material. Al ser dos estados de conductividad térmica estables incluso cuando se retira el voltaje, el dispositivo se convierte en una memoria térmica no volátil», explica Langenberg.
Este comportamiento se basa en un mecanismo físico nunca utilizado hasta ahora para controlar el transporte de calor con campo eléctrico: el ensamblaje de la polarización ferroeléctrica con la migración de vacantes de oxígeno. Estas vacantes son pequeños defectos que dispersan y entorpecen el paso de los fonones —la unidad básica de vibración en las estructuras de los sólidos—, al igual que hacen los electrones en el caso de la electricidad. «Así, una alta concentración de vacantes de oxígeno en el óxido ferroeléctrico de hafnio y circonio impedirá el paso de los fonones (baja conductividad térmica), en contraposición a una baja concentración de vacantes (alta conductividad térmica)», explica Dídac Barneo, también miembro del Departamento de Física de la Materia Condensada.
Estas vacantes de oxígeno pueden moverse por la estructura sólida con un campo eléctrico. Los voltajes negativos atraen estas vacantes, mientras que los positivos las repelen. «Si se aplica un voltaje negativo desde el oro, obtendremos una baja conductividad térmica del óxido ferroeléctrico. En cambio, al aplicar voltajes positivos, el resultado es una alta conductividad térmica», apunta Barneo.
Pero el voltaje aplicado no puede explicar por sí solo el fenómeno de memoria. «Existe un componente crucial para la funcionalidad de memoria y la estabilidad de los estados térmicos: la polarización del óxido ferroeléctrico, que actúa como una especie de válvula que impide que las vacantes de oxígeno vuelvan a distribuirse cuando desaparece el voltaje. Este efecto permite conservar ambos estados térmicos y convierte el dispositivo en una memoria térmica», indican los expertos.
De los electrones a los fonones: retos en física del estado sólido
Este dispositivo es el primer prototipo funcional que se desarrolla dentro del proyecto e-PHONONBIT («Diseño de bits fonónicos con control eléctrico en láminas y superestructuras epitaxiales basadas en óxidos ferroeléctricos»), que dirige el profesor Langenberg. En el marco de la investigación, el equipo de la UB ha concebido el mecanismo físico que explica el funcionamiento de la memoria térmica, además de coordinar las distintas colaboraciones experimentales y teóricas e integrar todos los datos en la interpretación global del estudio.
En el futuro, será necesario mejorar las prestaciones del nuevo dispositivo para poder aumentar la diferencia de conductividad térmica entre los dos estados, facilitar que sea operativo a temperatura ambiente (ahora lo es a 200 °C) y reducir el tiempo de conmutación entre los dos estados térmicos (de minutos a milisegundos).
«La idea es explorar distintas combinaciones de materiales ferroeléctricos, conductores iónicos (en particular, vacantes de oxígeno) y sustratos para abordar estos tres retos», detalla Eric Langenberg.
«Más a largo plazo, queremos terminar desarrollando nuevas arquitecturas de computación basadas en los fonones. Controlar el transporte de fonones con campo eléctrico es un reto en la física del estado sólido. Nos encontramos en los albores de la fonónica; solo el tiempo dirá hasta dónde nos llevará esta nueva disciplina», concluye el