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Con la llegada del Internet de las cosas y la Industria 4.0, los piezoeléctricos, o materiales que generan una carga eléctrica cuando se someten a una carga, se están volviendo extremadamente útiles como sensores de fuerza compactos y energéticamente eficientes. En consecuencia, la piezotrónica ha emergido como una nueva frontera tecnológica con aplicaciones en el monitoreo de condiciones estructurales en la construcción y dispositivos de interfaz hombre-máquina.
Crédito de la foto: Universidad Nacional Cheng Kung
Los sensores de fuerza piezotrónicos generalmente se controlan mediante una «modulación de altura de barrera Schottky (SBH)» inducida por tensión o mediante un «efecto de activación piezoeléctrica» que redistribuye los portadores de carga en un campo piezoeléctrico inducido. Sin embargo, mientras que los dispositivos basados en SBH están bien investigados, los dispositivos basados en activación piezoeléctrica son relativamente poco conocidos. Esto ha limitado la fabricación de transistores controlados por piezoeléctricos, el componente básico de toda la electrónica. Además, el efecto de activación piezoeléctrico a menudo se confunde con el «efecto piezorresistivo», un fenómeno coexistente con una respuesta similar. Por lo tanto, para aprovechar todo el potencial del efecto de activación piezoeléctrica, debemos comprenderlo mejor.
En un nuevo estudio publicado en nano energía Investigadores de la Universidad Nacional Cheng Kung (NCKU), Taiwán, ahora informan por primera vez sobre un transistor de película delgada de puerta piezoeléctrica (PGTFT) de «modo dual» junto con un modelo analítico que explica su mecanismo de funcionamiento. El PGTFT demuestra un funcionamiento sin precedentes entre dos modos, a saber, agotamiento y acumulación, y un factor de calibración récord (proporción de cambio relativo en la corriente a la tensión mecánica) de 2780, lo que indica su extrema sensibilidad.
“Los PGTFT que se basan únicamente en el efecto de activación piezoeléctrica son esenciales para el desarrollo de dispositivos piezotrónicos avanzados. Sin embargo, la mayoría de los PGTFT informados hasta la fecha muestran un efecto de activación piezoeléctrico indistinto por la modulación SBH inducida por campos piezoeléctricos y solo pueden detectar tensión unidimensional”. dice el Prof. Chuan-Pu Liu, el autor correspondiente del estudio.
En su trabajo, los investigadores utilizaron óxido de zinc (ZnO) para fabricar los transistores de película delgada debido a las versátiles propiedades piezoeléctricas y semiconductoras del ZnO. Las concentraciones de portadores de carga en las películas delgadas de ZnO se variaron deliberadamente cambiando el gas utilizado en su producción. Luego, las películas delgadas se caracterizaron por completo y se usaron para fabricar dos configuraciones diferentes de PGTFT.
El equipo probó las propiedades de corriente-voltaje de los PGTFT sometiéndolos a estrés y analizó los resultados tanto analíticamente como utilizando simulaciones numéricas. Además, investigaron el efecto de cambiar las concentraciones de portadores en los modos operativos de los PGTFT para estimar la influencia del efecto de activación piezoeléctrica.
El equipo descubrió que el aumento de la tensión reducía la corriente en el electrodo PGTFT superior, pero la aumentaba en el electrodo inferior. Esto sucedió porque los electrones se movieron de arriba hacia abajo en respuesta a la fuerza, lo que provocó el agotamiento de los electrones en la parte superior y la acumulación de electrones en la parte inferior. Esto, a su vez, afectó a la corriente de salida y reveló la coexistencia del efecto de activación piezoeléctrico y el efecto piezorresistivo, siendo dominante el efecto de activación piezoeléctrico.
Además, el equipo demostró tanto experimental como analíticamente que el factor de calibración es muy sensible a la concentración de portadores, mostrando una mejora del 44 por ciento en su diseño.
«Nuestro modelo analítico propuesto explica perfectamente el funcionamiento del PGTFT y muestra concordancia con experimentos y simulaciones. Estos resultados allanarán el camino para el desarrollo y la aplicación de PGTFT con medición de deformación multidimensional”. dice el profesor Liu. Esto podría conducir a nuevas interfaces hombre-máquina que sean compactas, económicas y que consuman menos energía.
¡Quizás nos estamos acercando a una revolución piezotrónica!
Fuente: https://www.gs.ncku.edu.tw/
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