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.
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.
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.
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.
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