Wetenschappers van het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen en het Duitse Max Planck Institute for Polymer Research hebben een manier gevonden om uit een goedkoop polymeer een plastic geheugeneenheid te maken. Hun ontdekking is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.
De onderzoekers gebruikten het polymeer polyvinylideenfluoride, bekend onder de afkorting PVDF. Dit goedkope materiaal wordt vaak gebruikt in membraanfilters en verpakkingsfolies. Het was al lang bekend dat PVDF thermisch en chemisch stabiel is, maar voor toepassing in een geheugencel zijn ook nog ferroëlektrische eigenschappen vereist. Dit wil zeggen dat de moleculen een elektrische polarisatie hebben, analoog aan de noord- en zuidpool van een magneet. De polarisatie van ferroëlektrische materialen is schakelbaar met behulp van een elektrisch veld. Op die manier is het mogelijk informatie in dit soort materialen op te slaan.
Tot nu toe slaagde niemand er in om van PVDF een bruikbare elektrische schakeling te maken. ‘Het lukte niet om een gladde dunne film te maken van PVDF’, zegt hoogleraar natuurkunde Dago de Leeuw, een van de auteurs van het Nature Materials-artikel. Er ontstond een structuur die onder de microscoop op schuurpapier leek. ‘Bovendien lukte het niet om het materiaal in de fase te krijgen die ferroëlektrisch is.’
Promovenda Mengyuan Li wist deze problemen op te lossen. Zij gebruikte een alternatieve manier om dunne films te maken van PVDF. Daarbij werd het materiaal tot dunne film verwerkt bij hoge temperatuur. ‘Dat bleek de cruciale stap te zijn. Normaal maak je dit soort films bij kamertemperatuur. Maar alleen bij een hogere temperatuur vormt PVDF een mooi gladde dunne film’, vertelt De Leeuw. Als klap op de vuurpijl bleek de dunne film door een korte puls met een elektrisch veld ook ferroëlektrische eigenschappen te krijgen.
‘PVDF kan in principe in vier vormen kristalliseren’, legt De Leeuw uit. ‘Die hebben allemaal verschillende eigenschappen. Li heeft met haar werk de delta-fase gemaakt, die ferroëlektrisch is en bovendien stabiel bij hoge temperaturen.’ Het bestaan van deze delta-fase van PVDF is al in de jaren tachtig voorspeld, maar nog nooit eerder experimenteel in een dunne film aangetoond.
Ideale kandidaat
In het artikel laten de onderzoekers zien dat met delta-PVDF een plastic geheugencel is te maken. Plastic geheugen bestaat al wel, maar is dan gemaakt van een copolymeer van PVDF met trifluoroethyleen. ‘Dat materiaal is moeilijk te maken, erg duur, en bovendien verliest het boven de tachtig graden Celsius zijn ferroëlektrische eigenschappen. En daardoor verlies je alle opgeslagen gegevens.’ PVDF is daarentegen spotgoedkoop en de films behouden hun eigenschappen tot ongeveer 170 graden Celsius. Daarmee is deze vorm van PVDF de ideale kandidaat voor het maken van gegevensopslag in plastic elektronica.
Plastic elektronica is de afgelopen jaren volop in ontwikkeling en kent tal van mogelijke toepassingen. Het is te verwerken in de verpakking van voedingsmiddelen, bijvoorbeeld om de houdbaarheid in de gaten te houden, maar ook in ‘slimme kleding’. De Rijksuniversiteit Groningen heeft al enkele doorbraken op het terrein van plastic elektronica op haar naam staan. De Leeuw: ‘Zowel de plastic ferroëlektrische transistor als de plastic ferroëlektrische diode is uitgevonden op het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen. Daar komt nu dus een bruikbaar plastic geheugen bij.’ Inmiddels wordt in het Europese project Moma gewerkt aan de opschaling van deze nieuwe technologie.
