Ferroelektrisches Polymer wird elastisch

Obwohl Polymere normalerweise flexibel sind, neigen ferroelektrische Materialien auf Polymerbasis dazu, starr zu sein. Das Hinzufügen einer kleinen Menge Vernetzungsmaterial kann dies jedoch ändern, und Forscher des chinesischen Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) sagen, dass ihre neuen „elastischen Ferroelektrika“ widerstandsfähig und flexibel genug für den Einsatz in tragbarer Elektronik und implantierbaren medizinischen Geräten sind.

Unter Ferroelektrizität versteht man die Fähigkeit eines Materials, seine elektrischen Eigenschaften als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld zu ändern. Es wurde vor etwas mehr als einem Jahrhundert in bestimmten natürlich vorkommenden Kristallen entdeckt und wird heute in einer Vielzahl von Technologien genutzt, darunter digitale Informationsspeicherung, Sensorik, Optoelektronik und neuromorphes Computing.

Herkömmliche Ferroelektrika können entweder aus Keramik oder Polymeren hergestellt werden, aber selbst Ferroelektrika auf Polymerbasis sind nicht sehr elastisch. Dies liegt daran, dass sie kristalline Bereiche enthalten, die starr sind.

Forscher um Run-Wei Li haben dieses Problem nun gelöst, indem sie dem ferroelektrischen Polymer Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen) eine vernetzende Chemikalie, weiches langkettiges Polyethylenoxid, zugesetzt haben.

„Vernetzung ist eine allgemeine Methode, um Kunststoffpolymeren Widerstandsfähigkeit zu verleihen, bei der die Vernetzungsdichte 1–10 % beträgt (d. h. ein bis zehn Wiederholungseinheiten sind in jeweils hundert Wiederholungseinheiten in Polymerketten vernetzt)“, erklärt Ben, Mitglied des Studienteams -Lin Hu.

Am oberen Ende dieses Bereichs fügt Hu jedoch hinzu, dass die Kristallinität der Mischung dramatisch abnimmt, was die ferroelektrische Reaktion des Materials schwächt. Die Vernetzungsdichte, die zur Herstellung elastischer Ferroelektrika erforderlich ist, ist daher viel geringer, was die Forscher dazu veranlasst, von einer „leichten Vernetzung“ zu sprechen.

Als die NIMTE-Forscher die Dichte des Vernetzers auf nur 1–2 % beschränkten, stellten sie fest, dass eine Beta-Phasen-Kristallstruktur gleichmäßig im vernetzten Polymernetzwerk verteilt war. Dieses neue vernetzte Polymernetzwerk kann äußere Kräfte gleichmäßig verteilen und aushalten, sagen die Forscher, wodurch Schäden an den kristallinen Bereichen abgemildert werden und ein neues ferroelektrisches Material entsteht, das Elastizität mit relativ hoher Kristallinität verbindet. Tatsächlich behält der vernetzte Film dank seiner verbesserten Elastizität seine Ferroelektrizität auch bei Belastungen von 70 %.

Dünnere Antiferroelektrika werden ferroelektrisch

Das neue elastische Ferroelektrikum könnte in tragbarer/implantierbarer Elektronik wie Sensoren und intelligenter Gesundheitsversorgung sowie in der Informationsspeicherung und Energieübertragung eingesetzt werden, sagt Hu. Elastische Ferroelektrika haben auch einige exotische Eigenschaften, die für Strukturen nützlich sein könnten, wie zum Beispiel Elastomere mit einer riesigen Dielektrizitätskonstante (>1000), Spinventile mit einem großen magnetoelektrischen Kopplungseffekt und dielektrische Kondensatoren, deren Energiedichten mit denen von Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar sind. allerdings mit Lade- und Entladezeiten in der Größenordnung von nur Mikrosekunden.

Die Forscher planen nun, die Eigenschaften ihrer elastischen Ferroelektrika zu optimieren und sich dabei vor allem auf Materialien mit hoher Dielektrizitätskonstante und hoher piezoelektrischer Konstante zu konzentrieren. „Diese könnten zur Energiespeicherung und -übertragung sowie zur Informationserfassung und -speicherung eingesetzt werden“, sagt Hu gegenüber Physics World.

Sie beschreiben detailliert ihre aktuelle Arbeit in Science.