El grupo de la Unesp Universidad de San Pablo, explora la física de las perovskitas, materiales con gran potencial de aplicación tecnológica
La perovskita es un mineral del grupo IV (óxidos) según la clasificación de Strunz; es un trióxido de titanio y de calcio (CaTiO3). Es un mineral relativamente raro en la corteza terrestre. La perovskita se cristaliza en el sistema cristalino ortorrómbico (pseudocúbico). Se encuentra en contacto con rocas metamórficas y asociada a máficas intrusivas, sienitas nefelinas, y raras carbonatitas. Fue descubierta en los Montes Urales de Rusia por Gustav Rose en 1839 y nombrada en honor al mineralogista ruso, L. A. Perovski (1792-1856).
José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Por su potencial de aplicación, las perovskitas se han convertido en uno de los materiales más estudiados del momento. Un campo de aplicación particularmente prometedor es el de la tecnología fotovoltaica, que se ocupa de dispositivos capaces de convertir eficientemente la energía luminosa en energía eléctrica. La eficiencia de conversión que presentan las perovskitas híbridas se sitúa hoy en día en torno al 25,2%, superando la eficiencia de las células comerciales basadas en tecnología de silicio.
Un ejemplo de perovskita híbrida es el yoduro de metilamonio de plomo (CH3NH3PbI3). El material se denomina «híbrido» porque, en su molécula, los tres iones negativos, formados por yodo (I-), equilibran un ión inorgánico positivo, formado por plomo (Pb2 +), y un ión orgánico positivo, formado por metilamonio (CH3NH3 +).
Centrándose precisamente en el plomo y el yoduro de metilamonio, un estudio realizado en el Departamento de Física y Química de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), en Ilha Solteira, avanzó en el conocimiento de la naturaleza ferroeléctrica y el origen de las excepcionales propiedades fotovoltaicas de las perovskitas. Se publicó un artículo al respecto en la revista Acta Materialia .
El estudio forma parte de la investigación doctoral de Fernando Brondani Minussi , dirigida por Eudes Borges de Araújo , catedrático de la Unesp. Y contó con el apoyo de la FAPESP a través del Proyecto Temático “ Materiales multiferroicos y ferroeléctricos para convertidores de energía: síntesis, propiedades, fenomenología y aplicaciones ”, coordinado por el profesor José Antonio Eiras , de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), y que tiene Araújo como investigador principal.
“En este estudio, investigamos sistemáticamente el efecto de la temperatura y un campo eléctrico de corriente continua sobre las propiedades eléctricas, dieléctricas y espectroscópicas del yoduro de metilamonio de plomo. Y tratamos de excluir otras interferencias para demostrar la firma característica del relajante ferroeléctrico en la perovskita estudiada ”, dice Araújo.
He aquí una explicación. Los relajantes ferroeléctricos son materiales que tienen su estructura fuertemente modificada en presencia de un campo eléctrico, debido al desplazamiento de iones en la red cristalina: los positivos en una dirección y los negativos en la dirección opuesta. Esto los hace altamente eficientes en el almacenamiento y conversión de energía, ya que sus constantes dieléctricas son mucho más altas que las de los materiales ferroeléctricos comunes.
“Nuestros resultados indicaron la naturaleza relajante ferroeléctrica del plomo y el yoduro de metilamonio. Pero también mostraron que existe una temperatura de congelación de los dipolos responsables del carácter relajante del material y una transición de fase difusa a altas temperaturas. Esta temperatura crítica, que afecta la propiedad relajante, ronda los 270 K [-3,15 o C], es decir, justo por debajo del punto de congelación del agua ”, dice Araújo.
El investigador informa que el análisis de los resultados les permitió proponer un diagrama de fases inédito para el sistema constituido por plomo y yoduro de metilamonio, indicando regiones que delimitan la existencia de tres fases distintas: ferroeléctrica, ergódica y no ergódica.
“Los materiales ferroeléctricos exhiben naturalmente una polarización eléctrica espontánea que se puede revertir aplicando un campo eléctrico externo. Este orden ferroeléctrico se destruye a altas temperaturas y el material asume una fase paraeléctrica, es decir, no polarizado. Los relajantes clásicos exhiben una fase paraeléctrica a altas temperaturas, similar en muchos aspectos a la fase paraeléctrica de un ferroeléctrico normal. Al enfriar el material por debajo de una cierta meseta de temperatura, la llamada ‘temperatura de quemado’, aparecen nanoregiones polares dentro de la matriz, con direcciones de momento dipolares distribuidas aleatoriamente.
Como estas regiones son altamente dinámicas y no están correlacionadas, decimos que el relajante se comporta de manera ergódica. Las nano-regiones polares interactúan y se congelan por debajo de otra temperatura determinada, caracterizando el llamado estado no ergódico. Sin embargo, se puede inducir un estado ferroeléctrico a partir de un relajante no ergódico aplicando un campo eléctrico suficientemente fuerte ”, explica Araújo.
En matemáticas, la ergodicidad expresa la idea de que el comportamiento promedio de un sistema se puede deducir de la trayectoria de un punto típico. El investigador señala que el término “ergódico” no se usa aquí de esta manera estricta.
Araújo enfatiza que, a pesar de no mostrar el comportamiento esperado de un relajante clásico, el carácter relajante del plomo y el yoduro de metilamonio debe ser una de sus características intrínsecas, posiblemente eclipsada por la conductividad iónica y las características semiconductoras del material.
“En general, los relajantes ferroeléctricos tienen altos valores de permitividad dieléctrica, excelentes propiedades electrocalóricas y electromecánicas e histéresis, es decir, la tendencia del sistema a conservar sus propiedades, solo se suprime a temperaturas suficientemente altas. Desde un punto de vista tecnológico, estas características los convierten en fuertes candidatos para la producción de sensores acústicos, refrigeradores de estado sólido, transductores y actuadores. Desde un punto de vista científico, el hecho de que los relajantes ferroeléctricos sigan siendo los materiales menos comprendidos en la física de la materia condensada constituye un gran estímulo para la investigación ”, resume Araújo.
Y agrega que los resultados originales y verdaderamente significativos presentados en el estudio actual tienen el potencial de promover cambios de paradigma en la comprensión de la naturaleza ferroeléctrica y el origen de las excepcionales propiedades fotovoltaicas de las perovskitas de haluro. “Creo que este trabajo aporta avances sustanciales a la base de la física de este complejo y fascinante sistema”, dice.
El artículo Efectos de la frecuencia, la temperatura y el campo eléctrico de polarización de CC en las propiedades dieléctricas del yoduro de metilamonio y plomo desde la perspectiva de un ferroeléctrico similar a un relajante