Je leest:

Gronings plastic geheugen beter en goedkoper

Gronings plastic geheugen beter en goedkoper

Dertig jaar geleden voorspelde materiaalstructuur nu voor het eerst gerealiseerd in dunne laag PVDF

Auteur: | 22 maart 2013

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben een belangrijke stap gezet in de ontwikkeling van computergeheugens uit plastic. Van het relatief goedkope kunststof PVDF maakten ze gladde en dunne lagen die ook nog eens elektrisch polariseerbaar zijn. De opgeslagen informatie blijft tot maar liefst 170 °C goed bewaard. Dat is meer dan het dubbele van het materiaal dat tot nu toe de beste papieren had.

Pvdf
PVDF molecuul
University of Potsdam

Het aan Teflon verwante PVDF (polyvinylideenfluoride) is een prachtig plastic: temperatuurbestendig, chemisch haast onaantastbaar en bovendien redelijk betaalbaar. Je vindt het in laboratoriuminstrumenten, leidingen en sinds kort zelfs als vislijn.

De Groningse onderzoekers voegen daar nu de nieuwe, bijzondere high tech toepassing aan toe. Mengyuan Li ontwikkelde tijdens haar promotieonderzoek onder leiding van professor Dago de Leeuw een methode om dunne, gladde lagen PVDF te maken met ferroëlektrische eigenschappen. Precies dat maakt ze geschikt als geheugenmateriaal. Al een jaar of dertig dachten onderzoekers dat het zou moeten kunnen. Maar het was nog niemand gelukt.

Mengyanli
Mengyuan Li met twee dunne proefstukjes PVDF. Rechts de gebruikelijke ruwe en daarom melkachtige PVDF folie. Links transparant en glad PVDF gemaakt met de door haar ontwikkelde procedure.
MPI für Polymerforschung

Schuurpapier

Om met voldoende nauwkeurigheid informatie te kunnen opslaan moet het PVDF dun en glad zijn. Met de gebruikelijke productiemethoden kregen de onderzoekers dat niet voor elkaar. De lagen waren óf veel te dik, óf veel te ruw – een soort microscopisch schuurpapier, aldus hoogleraar De Leeuw. “Bovendien lukte het niet om het materiaal ferroëlektrisch te krijgen”.

PVDF kan op moleculaire schaal in vier vormen kristalliseren, legt De Leeuw uit, alle vier met andere eigenschappen. De makkelijkst te maken variant (alfa) is niet geschikt voor data-opslag en de varianten die dat wel zijn (béta en gamma) zijn weer lastig te verwerken. En dan zou er nog een vierde vorm zijn (delta), maar dat was eigenlijk alleen theorie. Die fase was al in de jaren tachtig voorspeld, maar nog niemand had die in een dunne laag kunnen realiseren.

Ferroëlektrisch opslaan

Gegevensopslag in plastics op basis van ferroëlektriciteit vereist materialen die op moleculaire schaal over elektrische dipolen beschikken. Daarbij zijn de elektronen niet netjes verdeeld, bijvoorbeeld vanwege de asymmetrische aanwezigheid van sterk elektronegatieve atomen (zoals fluor). Er is dan sprake van elektrische polarisatie. Bij materialen voor gegevensopslag is die polarisatie met behulp van een uitwendig elektrisch veld blijvend om te keren.

Cruciale stap

Li maakte aan die impasse een eind door PVDF op een nieuwe manier bij hogere temperaturen tot film te verwerken. Een cruciale stap, zegt De Leeuw: “Normaal maak je dit soort films bij kamertemperatuur. Alleen bij hogere temperatuur vormt PVDF een mooi gladde dunne film”.

Minstens zo belangrijk voor de toepassing is dat Li de nieuwe lagen ferroëlektrisch wist te maken. Een korte puls met een krachtig elektrisch veld is voldoende. Ze blijkt er als eerste in te zijn geslaagd de delta-fase te maken. Ferroëlektrisch én stabiel bij hoge temperaturen: een uitstekend geheugenmateriaal dus.

Ideale kandidaat

In de publicatie in Nature Materials laten de onderzoekers zien hoe met het delta-PVDF een plastic geheugencel is te maken. De prestaties overtreffen de ‘concurrentie’ van eerdere plastic geheugencellen. Die bestaan uit zogenaamde copolymeren waarbij het PVDF nog een andere plastic bouwsteen bevat, trifluoretheen: in dit geval.

“Dat materiaal is moeilijk te maken, erg duur, en bovendien verliest het boven de 80 graden Celsius zijn ferroëlektrische eigenschappen”, aldus De Leeuw. “Daardoor verlies je alle opgeslagen gegevens.” De nieuwe films behouden hun eigenschappen tot ongeveer 170 graden Celsius en bovendien is het PVDF polymeer veel goedkoper. Voor De Leeuw is het duidelijk: deze vorm van PVDF is de ideale kandidaat voor gegevensopslag in plastic elektronica.

Dagodeleeuw
Dago de Leeuw, jarenlang werkzaam bij Philips Research, heeft een indrukwekkend track record op het gebied van plastic elektronica. Hij stond aan de wieg van de allereerste geïntegreerde schakelingen (IC’s) uit kunststof en kreeg daarvoor onder andere de European Discover Award en de Descartes prijs. Hij is ook hoogleraar bij het Duitse Max Planck Institute for Polymer Research.

Aan plastic elektronica wordt veel onderzoek verricht vanwege de potentieel lage prijs en tal van mogelijke toepassingen. Zo is het te verwerken in de verpakking van voedingsmiddelen, bijvoorbeeld om de houdbaarheid in de gaten te houden, maar ook in ‘slimme kleding’.

Bij het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen werden zowel de plastic ferroëlektrische transistor als de plastic ferroëlektrische diode ontwikkeld. Daar komt nu dus een bruikbaar plastic geheugen bij. Inmiddels wordt in het Europese MOMA project aan de opschaling van de nieuwe technologie.

Publicatie:

  • Mengyuan Li, Harry J. Wondergem, Mark-Jan Spijkman, Kamal Asadi, Ilias Katsouras, Paul W. M. Blom & Dago M. de Leeuw, Revisiting the δ-phase of poly(vinylidene fluoride) for solution-processed ferroelectric thin films, Nature Materials (2013) Published online 17 March 2013 doi:10.1038/nmat3577
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 22 maart 2013

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.