Un reciente estudio liderado por investigadores de ingeniería de la University of Michigan muestra que agregar un simple paso en el proceso de fabricación industrial de ciertos materiales semiconductores puede lograr señales de teléfono más fuertes, sensores más precisos y energía más limpia.

Los materiales semiconductores tienen la propiedad de convertir el estrés mecánico en energía eléctrica (llamada piezoelectricidad), y son componentes importantes de las tecnologías que usamos diariamente. En los teléfonos móviles, los materiales piezoeléctricos pueden filtrar las señales de entrada de la antena para reducir el ruido innecesario. En los automóviles, pueden activar airbags y monitorear la presión de los neumáticos.

El profesor de ingeniería universitaria Pallab K. Bhattacharya y el autor correspondiente del informe publicado en Nature Communications, Zetian Mi, declararon: “Nuestro equipo utilizó un proceso de recocido bastante simple para mejorar enormemente la respuesta piezoeléctrica de películas delgadas de nitruro de aluminio y escandio, un semiconductor emergente utilizado en la microelectrónica y fotónica de próxima generación”.

El equipo de Mi colocó las películas en una cámara especializada, las calentó a 700°C durante dos horas, aumentando la piezoelectricidad del material a ocho veces la de las tecnologías utilizadas actualmente en el mercado.

Un material piezoeléctrico mejorado a esta escala promete cambiar la tecnología en diversos campos como la aeroespacial, la atención médica y la energía. Mejorar la sensibilidad a la presión y las vibraciones puede mejorar los sensores para monitorear la seguridad de equipos y la salud estructural, avanzar en la detección por ultrasonido y permitir que las luces de tráfico se alimenten del rugido de los camiones en la carretera.

Los investigadores también descubrieron cómo el proceso de calentamiento mejora el rendimiento del material al corregir defectos en las delgadas capas cristalinas minúsculas.

“La respuesta piezoeléctrica de este material es contribuida por ‘granos’ estructurales en direcciones específicas. Cuando la película acaba de crecer, estos granos usualmente no están perfectamente alineados, y algunos granos no contribuyen efectivamente a la respuesta piezoeléctrica general”, dijo Shubham Mondal, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica y de computadoras de la University of Michigan y coautor principal del estudio.

“El proceso de recocido proporciona energía adicional a la película, mejorando la orientación de los granos. Esta es una de las razones de la mejora en su respuesta piezoeléctrica”, dijo Md Mehedi Hasan Tanim, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica y de computadoras de la University of Michigan y coautor principal del estudio.

El equipo planea probar el proceso de recocido de nitruro de aluminio y escandio utilizando métodos como la epitaxia de haz molecular, que produce materiales de mayor calidad, para ver si se puede mejorar aún más la respuesta piezoeléctrica.

El profesor Mi declaró que, mientras tanto, los materiales y procesos necesarios para mejorar el rendimiento piezoeléctrico son casi idénticos a los estándares de fabricación actuales. Las percepciones de esta investigación permitirán a la industria mejorar significativamente el rendimiento de sus productos sin aumentar costos sustanciales.