Wie ultradünne Polymerfolien für die Speichertechnik genutzt werden können

Präzise aufgebrachter mechanischer Druck kann die elektronischen Eigenschaften eines weit verbreiteten Polymermaterials verbessern. Dazu muss das Material auf wenige Nanometer genau mechanisch bearbeitet werden, schreibt ein Team der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) in der Fachzeitschrift Fortgeschrittene elektronische Materialien. In ihrer neuen Studie zeigen die Forscher, wie dieser bisher unbekannte physikalische Effekt funktioniert und wie er auch für neue Speichertechnologien genutzt werden könnte. Dem Team ist es außerdem gelungen, das Wappen der Stadt Halle als elektrisches Muster mit einer räumlichen Auflösung von 50 Nanometern in das Material zu skizzieren.

Polyvinylidenfluorid (PVDF) ist ein industriell weit verbreitetes Polymer zur Herstellung von Dichtungen, Membranen und Verpackungsfolien. Es hat viele praktische Eigenschaften, da es dehnbar, biokompatibel und relativ kostengünstig in der Herstellung ist. „PVDF ist auch ein ferroelektrisches Material. Das heißt, es hat positive und negative Ladungen, die räumlich getrennt sind, was für die Speichertechnologie genutzt werden kann“, sagt die Physikerin Professorin Kathrin Dörr von der MLU. Allerdings gibt es einen Nachteil: PVDF ist ein teilkristallines Material, dessen Struktur im Gegensatz zu Kristallen nicht vollständig geordnet ist. „Das Material ist so ungeordnet, dass einige Eigenschaften verloren gehen, die man sich eigentlich zunutze machen möchte“, sagt Dörr.

Ihr Team entdeckte zufällig, dass man mit der Rasterkraftmikroskopie eine bestimmte elektrische Ordnung im Material feststellen kann. Bei diesem Verfahren wird meist eine Materialprobe mit einer nur wenige Nanometer großen Spitze abgetastet. Anschließend werden die erzeugten Schwingungen mit einem Laser gemessen und ausgewertet. „Damit können wir die Oberflächenstruktur des Materials auf Nanoebene analysieren“, sagt Dörr. Auch Rasterkraftmikroskope können verwendet werden, um mit Hilfe der winzigen Spitze Druck auf die Materialprobe auszuüben. Die Physiker der MLU fanden heraus, dass sich dadurch auch die elektrischen Eigenschaften des PVDF verändern.

„Der Druck komprimiert das Material an einer gewünschten Stelle elastisch, ohne die Moleküle, aus denen es besteht, zu verschieben“, erklärt Dörr. Die elektrische Polarisation des Materials (dh seine elektrische Orientierung) dreht sich in Richtung des Drucks. Somit kann die Polarisation auf Nanoebene kontrolliert und neu ausgerichtet werden. Die so entstandenen elektrischen Domänen sind extrem stabil und waren vier Jahre nach dem ursprünglichen Experiment noch intakt.

Der von den Hallenser Forschern entdeckte Effekt lässt sich so genau steuern, dass sie mithilfe der elektrischen Ladungen eine nanogroße Version des Stadtwappens – das wohl kleinste der Welt – in das Material skizzieren konnten. Das neue Verfahren könnte dazu beitragen, dass Materialien wie PVDF in neuartigen Elektro- und Speicheranwendungen eingesetzt werden können.

Zur Verfügung gestellt von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg