Mit Hilfe von mechanischem Druck lassen sich die elektrischen Eigenschaften eines weitverbreiteten Polymerwerkstoffs erheblich verbessern. Dafür ist es nötig, das Material bis auf wenige Nanometer genau zu bearbeiten, wie ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) im Fachjournal „Advanced Electronic Materials“ schreibt.
In ihrer neuen Studie zeigen die Forschenden, wie dieser bislang unbekannte physikalische Effekt funktioniert und wie er auch für neue Speichertechnologien nutzbar gemacht werden könnte. Außerdem ist es dem Team gelungen, das Wappen der Stadt Halle als elektrisches Muster mit 50 Nanometern Auflösung in das Material zu zeichnen.
Das Material Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ein beliebter Polymer-Kunststoff in der Industrie und kommt zum Beispiel bei der Herstellung von Dichtungen, Membranen oder Verpackungsfolien zum Einsatz. Es hat viele praktische Eigenschaften: Das Material ist dehnbar, biokompatibel und kann auch relativ kostengünstig hergestellt werden.
„Bei PVDF handelt es sich zudem um ein ferroelektrisches Material. Das bedeutet, es besitzt räumlich getrennte positive und negative Ladungen. Diese kann man zum Beispiel für die Speichertechnik nutzen“, sagt die Physikerin Prof. Dr. Kathrin Dörr von der MLU. Allerdings gibt es ein Problem: Bei PVDF handelt es sich um ein halb-kristallines Material, das anders als Kristalle über keine komplett geordnete Struktur verfügt. „In dem Material herrscht so viel Unordnung, dass einige der Eigenschaften, die man eigentlich nutzen will, wieder verloren gehen“, so Dörr.
Durch Zufall entdeckte ihr Team, wie sich mit Hilfe der sogenannten Kraftmikroskopie eine gewisse elektrische Ordnung in dem Material herstellen lässt. Eigentlich wird bei dieser Methode eine Materialprobe mit einer nur wenige Nanometer großen Spitze abgefahren. Die Schwingungen, die dabei entstehen, können durch einen Laser gemessen und ausgewertet werden.
„Damit lässt sich die Oberflächenstruktur eines Materials auf der Nanoebene analysieren“, sagt Dörr. Mit Kraftmikroskopen ist es außerdem möglich, über die winzige Spitze Druck auf die Materialprobe auszuüben. Die Physikerinnen und Physiker entdeckten, dass sich dadurch auch die elektrischen Eigenschaften von PVDF verändern. „Durch den Druck wird das Material an einer gewünschten Stelle elastisch zusammengedrückt, ohne dass sich dabei die Moleküle verschieben, aus denen es besteht“, erklärt Dörr.
In die Druckrichtung dreht sich die elektrische Polarisation des Materials, also seine elektrische Ausrichtung. So lässt sich die Polarisation auf der Ebene von wenigen Nanometern gezielt einstellen. Die so erzeugten elektrischen Domänen sind extrem stabil: Auch vier Jahre nach dem ursprünglichen Versuch waren sie noch intakt.
Der von den halleschen Forschenden entdeckte Effekte ist so präzise steuerbar, dass es ihnen gelang, mit den elektrischen Ladungen ein nur wenige Nanometer großes Stadtwappen in das Material zu zeichnen – das wahrscheinlich kleinste der Welt. Das neue Verfahren könnte dabei helfen, Materialien wie PVDF für neue Anwendungen in der Elektro- und Speichertechnik nutzbar zu machen.
Die Studie wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) unterstützt.
Studie: Roth R., Koch M. M., Rata D. A., Dörr K. Mechanical Nanoscale Polarization Control in Ferroelectric PVDF-TrFE Films. Advanced Electronic Materials (2022). doi: 10.1002/aelm.202101416
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