Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Li Runwei am Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat eine Methode der „leichten Vernetzung“ vorgeschlagen, die ferroelektrischen Materialien eine elastische Erholung verleiht. Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaft.
Ferroelektrische Materialien sind sehr nützlich für Anwendungen wie Datenspeicherung und -verarbeitung, Sensorik, Energieumwandlung und Optoelektronik usw., was sie in Mobiltelefonen, Tablets und anderen elektronischen Geräten für den täglichen Gebrauch äußerst wünschenswert macht.
Nach dem Spannungsabbau zeigen herkömmliche ferroelektrische Materialien jedoch eine schlechte elastische Erholung – typischerweise weniger als 2 % – und neigen daher dazu, entweder spröde (ferroelektrische Keramik) oder plastisch (ferroelektrische Polymere) zu sein.
Die ferroelektrischen Eigenschaften dieser Materialien sind hauptsächlich auf ihre kristallinen Bereiche zurückzuführen, denen es an intrinsischer Elastizität mangelt.
Um das Dilemma zwischen ferroelektrischer Reaktion und elastischer Erholung zu lösen, entwickelten die Forscher eine präzise Methode der „leichten Vernetzung“.
Durch die Verwendung von Poly(vinylidenfluorid-trifluorethylen) als Matrixmaterial und weichem langkettigem Polyethylenoxiddiamin als Vernetzer etablierten die Forscher eine Netzwerkstruktur in linearen ferroelektrischen Polymeren.
Durch die genaue Steuerung der Vernetzungsdichte auf 1–2 % wies der vernetzte ferroelektrische Film hauptsächlich eine β-Phasen-Kristallstruktur auf und war gleichmäßig im vernetzten Polymernetzwerk verteilt.
Unter Belastung kann die Netzwerkstruktur äußere Kräfte gleichmäßig verteilen und aushalten, wodurch Schäden an den kristallinen Bereichen abgemildert werden. Somit vereinen diese neu entwickelten Ferroelektrika Elastizität mit relativ hoher Kristallinität. Experimentelle Ergebnisse zeigten auch, dass der vernetzte Film selbst bei Belastungen von bis zu 70 % eine stabile ferroelektrische Reaktion und elastische Erholung beibehielt.
„Basierend auf ihrer Studie“, sagte Prof. Xiong Rengen, ein international anerkannter Experte für ferroelektrische Materialien, „haben Gao et al. eine neue Forschungsrichtung etabliert: elastische Ferroelektrika.“
Elastische Ferroelektrika wie diese mit ausgezeichneter Beständigkeit gegen mechanische und ferroelektrische Ermüdung bieten breite Anwendungsaussichten in der tragbaren Elektronik und im intelligenten Gesundheitswesen.
Mehr Informationen:
Liang Gao et al., Intrinsisch elastisches Polymerferroelektrikum durch präzise leichte Vernetzung, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adh2509. www.science.org/doi/10.1126/science.adh2509