Elettrete: tra scienza dei materiali ed elettronica

L’elettrete è definito come un materiale che sviluppa un potenziale elettrostatico permanente o un momento di dipolo permanente e appartiene a una classe di materiali dielettrici che presentano una polarizzazione elettrica quasi permanente, anche in assenza di un campo elettrico esterno.

Michael Faraday fu il primo a considerare la possibilità dell’elettrete nel suo libro del 1839, ” Experimental Researches in Electricity “. Il termine elettrete fu coniato dal matematico, fisico e ingegnere britannico Oliver Heaviside nel 1892 per indicare un analogo elettrico dei magneti permanenti: mentre questi ultimi generano un campo magnetico statico, gli elettreti generano un campo elettrico interno stabile per lunghi periodi di tempo.

Sebbene non ne abbia mai realizzato uno, Heaviside ne offrì una trattazione piuttosto completa e coniò il termine “elettrete” combinando le parole “elettrone” e “magnete” definendo l’elettrete come “un dielettrico elettrizzato con cariche opposte su due facce”, analogo a una calamita.

Nel 1919, lo scienziato giapponese Mototaro Eguchi fu il primo ad ottenere un elettrete fondendo parti uguali di cera di carnauba estratta dalla palma brasiliana Carnauba e resina con cera d’api e quindi abbassando la temperatura per consentire alla miscela liquida di solidificarsi mentre veniva sottoposta a un campo elettrico di circa 10 kV cm^{− 1}.

La polarizzazione interna dei dischi di elettrete preparati con questo metodo persistette per molti anni. Infatti, gli elettreti preparati con il metodo di Eguchi oggi sono chiamati termoelettreti, perché sono formati principalmente da un processo termico. Successivamente, furono scoperti altri tipi di elettreti utilizzando metodi speciali per creare cariche reali o polarizzazione.

Nel 1937, Nadjakov scoprì che si verificava separazione di carica quando uno strato di zolfo veniva sottoposto simultaneamente a un’illuminazione con luce visibile e a una sollecitazione con campo elettrico. Questi materiali furono denominati fotoelettreti e il fenomeno fotoelettrico portò in seguito allo sviluppo della xerografia procedimento di stampa a secco che permette di fotocopiare documenti.

Proprietà

Un elettrete ha un insieme di proprietà peculiari che li distinguono da altri materiali dielettrici. Le principali includono:

Stabilità della polarizzazione che costituisce la proprietà fondamentale che consiste nella persistenza della polarizzazione elettrica nel tempo. In condizioni ambientali favorevoli come bassa umidità e temperatura stabile, la carica può rimanere intrappolata per anni. Tuttavia, la stabilità dipende fortemente dalla natura del materiale, dal metodo di polarizzazione e dalle condizioni operative.

Permittività dielettrica

Come tutti i materiali isolanti, un elettrete è caratterizzato da una costante dielettrica (εr) che descrive la sua capacità di immagazzinare energia elettrica. Valori tipici variano in base al materiale impiegato

Rigidità dielettrica

Un elettrete ha una elevata rigidità dielettrica, che consiste nella capacità di resistere a campi elettrici intensi senza subire rotture elettriche. Questo li rende adatti a dispositivi soggetti a sollecitazioni elettriche elevate.

Spettro di rilassamento

La polarizzazione residua può decadere nel tempo secondo un processo detto rilassamento dielettrico, studiabile attraverso tecniche come la TSDC (Thermally Stimulated Depolarization Current). L’analisi del rilassamento fornisce informazioni sulla distribuzione e sulla profondità dei siti di intrappolamento delle cariche.

Risposta piezoelettrica

Alcuni elettreti, come il polivinilidenfluoruro (PVDF), mostrano comportamenti piezoelettrici indotti dalla polarizzazione, il che li rende adatti a sensori e attuatori.

Classificazione

Un elettrete può essere a carica reale che contiene cariche libere in eccesso come elettroni o lacune elettroniche di una o entrambe le polarità che possono muoversi, sulle superfici del dielettrico, all’interno del volume del dielettrico

Un elettrete può essere a dipolo orientato se presentano dipoli orientati. Questi contengono cariche legate sulla loro superficie, che non sono libere di muoversi e sono simili ai materiali ferroelettrici.

Un elettrete può essere classificato non solo in base alla natura della carica (dipolare o spaziale), ma anche secondo il meccanismo fisico con cui viene indotta o attivata la polarizzazione. In questo contesto, si distinguono tre categorie fondamentali: termoelettreti, fotoelettreti e elettroelettreti.

Un termoelettrete, tipicamente usato nei sensori piezoelettrici e nei microfoni, è un materiale dielettrico che viene polarizzato attraverso un processo termico, generalmente in presenza di un campo elettrico. Il principio alla base è l’aumento della mobilità molecolare o ionica con la temperatura, che consente l’allineamento dei dipoli interni o la migrazione di cariche verso siti di intrappolamento.

Un fotoelettrete, usato in sensori ottici e dispositivi smart, sfrutta l’esposizione alla radiazione luminosa (UV o visibile) per generare cariche libere all’interno del materiale. Le cariche così generate possono migrare e venire intrappolate, inducendo una polarizzazione stabile.

Un elettroelettrete, usato in trasduttori e generatori elettrostatici, è ottenuto tramite l’applicazione diretta di un forte campo elettrico, senza necessariamente coinvolgere riscaldamento o irraggiamento. Il campo elettrico inietta cariche nel materiale o ne orienta i dipoli permanenti.

Meccanismi di polarizzazione dell’elettrete

L’elettrete è ottenuto tipicamente mediante la polarizzazione di materiali isolanti, come polimeri o ceramiche, attraverso processi che intrappolano cariche elettriche al loro interno oppure allineano dipoli permanenti lungo una direzione preferenziale. La capacità di mantenere una polarizzazione stabile rende l’elettrete estremamente utile in dispositivi elettronici, sensori, microfoni, attuatori e tecnologie di raccolta energetica.

La polarizzazione dell’elettrete può essere ottenuta mediante diversi meccanismi fisici che permettono l’intrappolamento stabile di cariche elettriche o l’allineamento di dipoli permanenti all’interno del materiale dielettrico. Questi processi sono fondamentali per conferire all’elettrete la sua capacità di generare un campo elettrico permanente e, pertanto, per determinarne l’efficacia e la durata nelle applicazioni pratiche.

La polarizzazione dipolare è un meccanismo che si basa sull’allineamento di dipoli molecolari permanenti già presenti nel materiale come, ad esempio, nei fluoropolimeri . Il materiale è riscaldato fino a una temperatura superiore alla sua transizione vetrosa T_g e sottoposto a un campo elettrico esterno.

A questa temperatura, i segmenti polimerici acquisiscono sufficiente mobilità per permettere l’orientamento dei dipoli lungo il campo applicato. Raffreddando il materiale mantenendo il campo attivo, l’orientamento rimane nella struttura amorfa, stabilizzando la polarizzazione anche dopo la rimozione del campo.

Nella polarizzazione da carica spaziale, la polarizzazione dell’elettrete è causata da cariche elettriche intrappolate nel volume o sulla superficie del materiale. Le cariche possono essere elettroni o ioni introdotti attraverso differenti tecniche, tra cui:

La polarizzazione dell’elettrete può essere effettuata tramite scarica effetto corona in cui viene applicata una scarica in aria tra un elettrodo ad ago e il materiale. Gli ioni generati migrano verso il campione e si depositano sulla superficie o penetrano nel volume, dove rimangono intrappolati.

Per la polarizzazione dell’elettrete si può utilizzare l’iniezione elettronica diretta applicando un elevato campo elettrico tra due elettrodi, che induce l’iniezione di elettroni o lacune nel dielettrico o l’irraggiamento tramite l’uso di radiazioni UV o fasci di elettroni può generare cariche intrappolabili, innescando effetti simili alla carica spaziale.

In materiali eterogenei o compositi, dove esistono interfacce tra fasi a diversa conduttività o permittività, si verifica la polarizzazione interfacciale in cui le cariche si accumulano a livello delle interfacce, generando una polarizzazione a lungo termine. Questo meccanismo è particolarmente rilevante in elettreti nanocompositi, dove nanoparticelle disperse nella matrice polimerica creano numerose interfacce polarizzabili.

Materiali

Le materie prime utilizzate come elettrete richiedono eccellenti proprietà dielettriche, come elevata resistenza di volume e resistenza superficiale, elevata resistenza alla rottura dielettrica, basso assorbimento di umidità e permeabilità all’aria.

I primi trasduttori a elettrete furono i microfoni a elettrete, sviluppati per la prima volta in Giappone nel 1928. Questi dispositivi, tuttavia, erano realizzati con materiali a base di cera, caratterizzati da scarsa stabilità termica. Un’importante svolta avvenne negli anni ’40 con la sintesi di polimeri isolanti come il politetrafluoroetilene (PTFE) noto come teflon. La loro elevata resistenza specifica li rese candidati naturali per la realizzazione di un elettrete.

La scelta del materiale è cruciale per garantire la stabilità della polarizzazione nell’elettrete. I materiali devono essere in grado di intrappolare cariche elettriche in profondità e di mantenerle nel tempo, resistendo a fenomeni di scarica termica, umidità e degradazione chimica.

Per essere utilizzabile come elettrete, un materiale deve possedere le seguenti proprietà:

Elevata resistività elettrica (≥10¹⁵ Ω·cm)
Bassa conducibilità dielettrica
Alta stabilità termica (≥150 °C)
Inerzia chimica
Capacità di formare trappole di carica profonde
Buone proprietà meccaniche, in particolare nei materiali polimerici

Polimeri

I polimeri sono i materiali più utilizzati per la realizzazione di un elettrete, grazie alla loro lavorabilità, stabilità e capacità di intrappolare cariche:

Materiali inorganici

Alcuni materiali ceramici e ossidi possono fungere da elettrete, specialmente per applicazioni ad alta temperatura o in ambienti aggressivi come:
SiO₂ usato nei microdispositivi elettronici
Al₂O₃ buone proprietà dielettriche
TiO₂, ZrO₂, e altri ossidi con elevata costante dielettrica
Questi materiali sono spesso utilizzati come strati sottili in dispositivi elettronici, in combinazione con substrati polimerici.

Elettreti ferroelettrici

I materiali ferroelettrici sono dotati di ferroelettricità e caratterizzati da una polarizzazione spontanea reversibile. Alcuni possono comportarsi da elettrete se la polarizzazione è stabilizzata in modo permanente lungo una direzione preferenziale. Tra essi:

piombo-zirconato di titanio (PZT) con struttura di perovskite che ha un marcato effetto piezoelettrico, e pertanto il composto cambia forma quando è applicato un campo elettrico. E’ utilizzato in numerose applicazioni pratiche come trasduttori ultrasonici e risonatori piezoelettrici, componenti di condensatori ceramici e attuatori

titanato di bario BaTiO₃ esibisce inoltre l’effetto fotorifrattivo per il quale, se esposto alla luce si verifica una variazione locale dell’indice di rifrazione. Questa proprietà della luce può essere utilizzata per realizzare degli strumenti ottici come gli specchi a coniugazione di fase, i calcolatori ottici, gli interruttori ottici, gli ologrammi dinamici e, soprattutto, le memorie olografiche.

Il titanato di bario presenta il fenomeno della piezoelettricità per il quale se si esercita una pressione, lungo una opportuna direzione, si produce una separazione di cariche elettriche, positive da una parte e negative dall’altra.

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