Hoe ultradunne polymeerfilms kunnen worden gebruikt voor opslagtechnologie

Precies toegepaste mechanische druk kan de elektronische eigenschappen van een veelgebruikt polymeermateriaal verbeteren. Hiervoor moet het materiaal mechanisch worden verwerkt tot op enkele nanometers nauwkeurig, schrijft een team van de Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) in het wetenschappelijke tijdschrift Geavanceerde elektronische materialen. In hun nieuwe studie laten de onderzoekers zien hoe dit voorheen onbekende fysieke effect werkt en hoe het ook kan worden gebruikt voor nieuwe opslagtechnologieën. Het team is er ook in geslaagd om het wapen van de stad Halle te schetsen als een elektrisch patroon met een ruimtelijke resolutie van 50 nanometer in het materiaal.

Polyvinylideenfluoride (PVDF) is een polymeer dat veel door de industrie wordt gebruikt voor de productie van afdichtingen, membranen en verpakkingsfolies. Het heeft veel praktische eigenschappen omdat het rekbaar, biocompatibel en vrij goedkoop te produceren is. “PVDF is ook een ferro-elektrisch materiaal. Dit betekent dat het positieve en negatieve ladingen heeft die ruimtelijk gescheiden zijn, iets dat kan worden gebruikt voor opslagtechnologie”, zegt natuurkundige professor Kathrin Dörr van MLU. Er is echter een nadeel: PVDF is een semi-kristallijn materiaal waarvan de structuur, in tegenstelling tot kristallen, niet volledig is geordend. “Er is zoveel wanorde in het materiaal dat sommige eigenschappen waarvan je eigenlijk zou willen profiteren, verloren gaan”, zegt Dörr.

Haar team ontdekte bij toeval dat atoomkrachtmicroscopie kan worden gebruikt om een ​​bepaalde elektrische orde in het materiaal vast te stellen. Bij deze methode wordt meestal een materiaalmonster gescand met een tip van slechts enkele nanometers groot. Een laser wordt vervolgens gebruikt om de geproduceerde trillingen te meten en te evalueren. “Hierdoor kunnen we de oppervlaktestructuur van het materiaal op nanoniveau analyseren”, zegt Dörr. Met behulp van de kleine punt kunnen ook atoomkrachtmicroscopen worden gebruikt om druk uit te oefenen op het materiaalmonster. De natuurkundigen van MLU ontdekten dat hierdoor ook de elektrische eigenschappen van de PVDF veranderen.

“De druk comprimeert het materiaal elastisch op een gewenst punt zonder de moleculen waaruit het bestaat te verschuiven”, legt Dörr uit. De elektrische polarisatie van het materiaal (dwz de elektrische oriëntatie) roteert in de richting van de druk. Zo kan de polarisatie op nanoniveau worden gecontroleerd en geheroriënteerd. De op deze manier gecreëerde elektrische domeinen zijn extreem stabiel en waren vier jaar na het oorspronkelijke experiment nog steeds intact.

Het effect dat de onderzoekers uit Halle hebben ontdekt, kan zo nauwkeurig worden gecontroleerd dat ze de elektrische ladingen konden gebruiken om in het materiaal een nanoversie van het stadswapen te schetsen – waarschijnlijk het kleinste ter wereld. Het nieuwe proces kan ertoe bijdragen dat materialen zoals PVDF kunnen worden gebruikt in nieuwe elektrische en opslagtoepassingen.