El transporte de carga en óxidos de metales de transición

Muchos de los materiales óxidos funcionales de importancia en la industria de los chips integrados son también cruciales para los sistemas de almacenamiento de energía necesarios para que fuentes intermitentes como el viento y el sol resulten efectivas. Pese a ese solapamiento, las investigaciones sobre las propiedades de los materiales relacionadas con ambos campos se han mantenido en general separadas.

El proyecto financiado con fondos europeos ELIOT («Electronic and ionic transport in functional oxides») se propuso tender un puente investigando cómo afectan la producción del material y las propiedades físicas al transporte de carga que tiene lugar en esos óxidos.

Los investigadores decidieron estudiar óxidos de metales de transición, sus propiedades electroquímicas y fisicoquímicas, y los efectos de las condiciones y técnicas de deposición de materiales sobre el transporte de carga. Los estudios se enfocaron a aplicaciones en memorias no volátiles y almacenamiento de energía, centrándose en la movilidad electrónica e iónica respectivamente. La dilucidación de los mecanismos debería permitir fabricar materiales mejores para ambos campos.

Una alternativa prometedora a los dispositivos de memoria flash, para superar sus inminentes barreras en términos de capacidad y velocidad, es la que aprovecha óxidos metálicos con conmutación resistiva. El primero objetivo del proyecto fue identificar materiales en los que el gran cambio escalable de resistencia a los voltajes pulsados aplicados se debiera a efectos de electrones correlacionados.

Los óxidos de metales de transición con alta movilidad iónica pero baja conductividad eléctrica resultan interesantes como electrolitos sólidos para aplicaciones de pilas de combustible. Los materiales con alta capacidad de almacenamiento de litio (baja movilidad) y buena conductividad eléctrica son posibles candidatos para aplicaciones de electrodos.

Los estudios realizados cubrieron óxidos binarios sencillos como los dióxidos de vanadio o titanio (VO2 y TiO2 respectivamente). También se evaluaron óxidos más complejos como el niquelato de samario (SmNiO3) y el óxido de litio y manganeso (LiMn2O4).

El VO2 y el SmNiO3 mostraron una transición de metal a aislante, de buena conductividad de carga a baja conductividad, con la temperatura. El TiO2 y el LiMn2O4 se identificaron como posibles materiales de electrodo para pilas, mientras que un óxido de litio y magnesio mostró potencial para uso como electrolito sólido.

Un mayor conocimiento de los factores que afectan a la movilidad electrónica e iónica de los óxidos de metales de transición podría dar lugar a avances importantes en áreas de importancia socioeconómica como las memorias volátiles y el almacenamiento de energía. El proyecto ELIOT ha mostrado el camino hacia la fabricación racional de materiales avanzados para estas y otras aplicaciones.