Preisgünstige Kunststoffspeichermedien aus einem „vergessenen“ Rohstoffpolymer

22.03.2013: Wissenschaftler des Zernike Institute for Advanced Materials der Universität Groningen und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung haben einen Weg gefunden ein Kunststoffspeichermedium aus einem Rohstoffpolymer herzustellen. In Nature Materials stellen sie ihre Entdeckung erstmalig vor.

Das Polymer, das die Forscher verwenden, heißt PVDF – Polyvinylidenfluorid. Dieses preisgünstige Material wird oft für Membranfilter und Verpackungsfolien verwendet. Es ist allgemein bekannt, dass PVDF extrem wärmebeständig und chemisch sehr stabil ist, aber für Anwendungen in einer Speicherzelle sind ferroelektrische Eigenschaften unverzichtbar. Das Material muss eine elektrische Polarisierung besitzen, die mit den Nord- und Südpolen eines Magnets vergleichbar ist. Die Polarisierung von ferroelektrischem Material kann durch die Verwendung eines elektrischen Felds gewechselt werden. Der bistabile Polarisierungszustand kann dafür verwendet werden, Informationen zu speichern.

Herausforderung angenommen

Einen funktionstüchtigen elektrischen Schalter aus reinem PVDF herzustellen, ist schwierig. „Dafür gibt es zwei Gründe“, sagt Dago de Leeuw, Professor der Physik und einer der Autoren des Artikels in Nature Materials. „Zunächst einmal stellte es eine große Herausforderung dar, eine glatte, dünne Folie aus PVDF herzustellen.“ Diese seien nämlich rau – ähnlich wie mikroskopisches Sandpapier. „Zusätzlich erzeugt die konventionelle Verarbeitung nicht-ferroelektrische dünne Folien, da das PVDF in einer nicht-polaren Phase kristallisiert.“

Die Doktorandin Mengyan Li von der Universität Groningen konnte diese Probleme lösen. Sie benutzte eine Alternative, um dünne Folien von PVDF herzustellen. „ Die Kontrolle der Verarbeitungsbedingungen stellte sich als entscheidender Schritt heraus“, sagt Li. „Üblicherweise stellt man diese Art von Folie bei Zimmertemperatur her. Aber PVDF verwandelt sich bei hoher Temperatur in eine schön glatte, dünne Folie“, erklärt De Leeuw. Zusätzlich werden die Folien ferroelektrisch nachdem ein kurzer elektrischer Puls angewendet wird.

„PVDF hat vier verschiedene Kristallphasen“, fährt De Leeuw fort. Mit ihrer Arbeit hat Li die Deltaphase geformt, die ferroelektrisch und auch bei hohen Temperaturen stabil ist. Die Existenz von Delta-PVDF wurde bereits in den 1980er Jahren vorausgesagt, aber nie experimentell in dünnen Folien nachgewiesen.

In dem Artikel zeigen die Forscher, dass ein Kunststoffspeichermedium aus Delta-PVDF hergestellt werden kann. Kunststoffspeichermedien gibt es bereits, aber sie bestehen aus einem speziellen Copolymer von PVDF mit Trifluoroethylen. „Dieses Material ist schwer herzustellen, sehr teuer und außerdem verliert es seine ferroelektrischen Eigenschaften bei Temperaturen über 80°C. Wenn das passiert, verliert man alle gespeicherten Daten.“ Die Herstellung von PVDF ist dagegen kostengünstig, und die Folien erhalten die gespeicherten Daten bei Temperaturen von bis zu rund 170°C. Infolgedessen stellt Delta-PVDF den idealen Kandidaten für Datenspeicherung in der Kunststoffelektronik dar.

Vielversprechende Optionen

Die Kunststoffelektronik hat sich schnell entwickelt und steht nun kurz vor der Kommerzialisierung, da sie neue Anwendungen verspricht. Diese reichen von intelligenten Lebensmittelverpackungen, die etwa das Verfallsdatum im Auge behalten, zu tragbaren Gesundheitsmonitoren. All diese Anwendungen benötigen programmierbare, nicht löschbare Speicher. Die Universität von Groningen hat bereits so manche Durchbrüche auf dem Gebiet der Kunststoffelektronik verzeichnet. De Leeuw: „Beides, der ferroelektrische Kunststofftransistor und die ferroelektrische Kunststoffdiode, wurden am Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) der Universität Groningen entwickelt. Wir können nun ein verwendbares Kunststoffspeichermedium zu dieser Liste hinzufügen.“