Efectos electroquímicos en el dopado con líquidos iónicosel caso del cuprato superconductor YBa₂Cu₃O₇₋ₓ

Resumen

La posibilidad de usar un campo eléctrico para modular la densidad de carga de un semiconductor de manera controlada es la base de la industria tecnológica actual. Más allá de estos materiales, los óxidos complejos, basados en metales de transición, son extremadamente sensibles a la concentración de portadores lo que les convierte en toda una familia fascinante debido a la posibilidad de controlar la densidad de carga a lo largo de sus ricos diagramas de fases. Un nuevo tipo de transistores llamados transistores de doble capa (EDLT) han conseguido cambios sin precedentes usando un líquido iónico (IL) como dieléctrico de puerta. Estos nuevos transistores de doble capa han ampliado las fronteras de los experimentos de efecto campo en óxidos complejos permitiendo estudiar las transiciones metal-aislante, inducir superconductividad o ferromagnetismo. El estudio del origen de la carga eléctrica generada al inducir un alto campo eléctrico entre el material y el IL se ha hecho necesario tanto desde un punto de vista funcional y aplicado como desde el punto de vista de la física fundamental por ser una oportunidad única para entender y estudiar los ricos diagramas de fase de estos materiales. La interpretación convencional de su funcionamiento se encuentra asociado a un mecanismo puramente electrostático, debido al apantallamiento de las cargas de la interfase. Sin embargo, recientes publicaciones han vinculado su operación a la creación de vacantes de oxígeno en óxidos complejos. Estos resultados han abierto el debate sobre la verdadera naturaleza, electrostática o electroquímica del dopado de cupratos con líquidos iónicos. En esta tesis se ha estudiado el mecanismo de dopado del superconductor de alta temperatura Yttrium Barium Copper Oxide (YBCO) usando la técnica de dopado con líquidos iónicos mediante un transistor de doble capa. Experimentos de dopado de láminas ultradelgadas (3 u.c) de YBCO se han llevado a cabo simultáneamente con la adquisición de medidas in situ de absorción de rayos X. Los espectros muestran notables cambios en el borde K del Cu concurrente con la transición superconductor-aislante dando una clara evidencia de la modificación de la coordinación del cobre Cu, asociada a una desoxigenación de las cadenas CuO del YBCO. La transferencia de carga entre los planos CuO2 y las cadenas CuO que produce los planos superconductores, es entonces reducida provocando una supresión de la superconductividad. Cálculos de DFT corroboran que los cambios en los espectros de absorción corresponden a una disminución del oxígeno de las cadenas CuO del YBCO. Experimentos usando capas intermedias que actúan como barrera de oxigeno (alúmina amorfa - ALO) y como reservorio de oxigeno (Praseodymium Barium Copper Oxide - PBCO) confirman que el efecto de tan grande campo eléctrico en la interfase del IL con el YBCO induce migración de iones de oxígeno. Medidas de espectroscopia de impedancia verifican este escenario de creación de vacantes de oxígeno indicando reacciones electroquímicas en la interfase en función del voltaje aplicado. Esta tesis es una evidencia directa de la desoxigenación del YBCO en experimentos de dopado con líquidos iónicos resaltando la importancia del dopado electroquímico en experimentos con EDL. Se ha demostrado que esta técnica incluye desplazamientos de los oxígenos de sus posiciones atómicas debido a los fuertes campos eléctricos generados en la interfase, de manera que la técnica de dopado con líquidos iónicos en cupratos no puede verse más como un dopado convencional puramente electrostático.Además nnuestros resultados muestran que una combinación de estos óxidos complejos con los nuevos transistores de doble capa permite un control delicado del contenido de oxígeno presentándose como una herramienta con un potencial único, sentando las bases de nuevos conceptos electroquímicos e indicando un nuevo camino para futuras aplicaciones en dispositivos electrónicos.