Een internationaal team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), de Universiteit van Tokio en het National Institute for Materials Science, heeft een nieuw organisch ferro-elektrisch materiaal ontwikkeld dat mogelijk anorganische oxiden in geheugenchips zou kunnen vervangen , sensoren en andere elektronische apparaten.

Ferro-elektriciteit is een speciale klasse materialen die kunnen worden geschakeld tussen twee tegengestelde elektrische polarisatietoestanden door een extern elektrisch veld aan te leggen. Deze eigenschap maakt ze ideaal voor gebruik in een verscheidenheid aan elektronische apparaten, zoals geheugenchips en sensoren.

De laatste jaren is er een groeiende belangstelling voor de ontwikkeling van organische ferro-elektrische materialen als alternatief voor anorganische oxiden. Organische ferro-elektrische materialen hebben een aantal voordelen ten opzichte van anorganische oxiden, waaronder hun flexibiliteit, lage kosten en verwerkingsgemak. Organische ferro-elektrische materialen zijn echter doorgaans minder efficiënt en stabiel dan hun anorganische tegenhangers.

Het nieuwe organische ferro-elektrische materiaal ontwikkeld door het door OIST geleide team is gebaseerd op een molecuul genaamd [N-(4-broombenzyl)-2,5-dimethylpyrrool-3-carboxamide]. Dit molecuul behoort tot een klasse verbindingen die bekend staat als 'triazolen' en waarvan is aangetoond dat ze veelbelovende ferro-elektrische eigenschappen hebben.

De onderzoekers ontdekten dat het nieuwe op triazool gebaseerde organische ferro-elektrische materiaal een hoge diëlektrische constante had, wat een maatstaf is voor het vermogen ervan om elektrische energie op te slaan. Het materiaal vertoonde ook een hoge mate van polarisatie, wat een maatstaf is voor zijn vermogen om te schakelen tussen de twee tegengestelde elektrische polarisatietoestanden.

Bovendien bleek het nieuwe organische ferro-elektrische materiaal stabiel te zijn bij hoge temperaturen en onder hoge elektrische velden. Dit maakt het een veelbelovende kandidaat voor gebruik in elektronische apparaten die onder zware omstandigheden werken.

De ontwikkeling van dit nieuwe organische ferro-elektrische materiaal is een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van organische elektronica. Dit materiaal zou potentieel kunnen worden gebruikt in een verscheidenheid aan elektronische apparaten, zoals geheugenchips, sensoren en energieopslagapparaten.

Een onderzoeksteam onder leiding van professor Takeharu Sakurai van de Nonlinear Optics Unit van de Materials and Devices Unit van OIST onderzocht een klein organisch molecuul en ontdekte dat het een hoge elektrische polarisatie had. Het resultaat geeft een sterke indicatie dat het materiaal potentieel een organisch ferro-elektrisch materiaal kan worden. Ferro-elektriciteit is een fenomeen waarbij spontane elektrische polarisatie in een materiaal kan worden omgekeerd, vaak door het aanleggen van een elektrisch veld. Ferro-elektrische materialen worden bijvoorbeeld veel gebruikt in condensatoren, die elektrische ladingen of elektrische energie opslaan, en in sensoren die veranderingen in versnelling, beweging of temperatuur detecteren.

Hoewel organische moleculen interessante elektronische, magnetische, opto-elektronische en mechanische eigenschappen bezitten, zijn organische ferro-elektrische materialen moeilijk te synthetiseren vanwege hun kristalstructuren, die de vorming van spontane elektrische polarisatie voorkomen.

Ferro-elektrische oxiden worden conventioneel gebruikt, maar dit zijn doorgaans anorganische materialen die zijn samengesteld uit metaalionen en zuurstof, en ze zijn moeilijk te verwerken en kwetsbaar voor externe krachten. Het ontwikkelen van een organisch ferro-elektrisch materiaal bestaande uit koolstof, waterstof, stikstof, zuurstof, zwavel en andere elementen zou dergelijke problemen mogelijk kunnen oplossen.

Het team onder leiding van professor Sakurai gebruikte echter een klein organisch molecuul genaamd [N-(4-broombenzyl)-2,5-dimethylpyrrool-3-carboxamide] met een tweedimensionale gelaagde structuur en slaagde erin het organische ferro-elektrische materiaal te synthetiseren. Het gesynthetiseerde materiaal vertoont een hoge elektrische polarisatie van ongeveer 8 micro-Coulombs per vierkante centimeter (μC/cm2) met een aangelegd elektrisch veld van 104 volt per micrometer (V/μm).

Ter vergelijking evalueerde het onderzoeksteam eerder gerapporteerde organische en anorganische ferro-elektrische materialen en ontdekte dat het gesynthetiseerde organische ferro-elektrische materiaal een voldoende hoge elektrische polarisatie vertoont. Hoewel de elektrische polarisatie van het gesynthetiseerde materiaal nog steeds kleiner is dan die van veelgebruikte ferro-elektrische materialen van anorganische oxiden, is deze van dezelfde orde als die van polymeren, die veelgebruikte organische elektronicamaterialen zijn.

Professor Sakurai streeft ernaar de elektrische polarisatie van het organische ferroelektrische materiaal verder te verbeteren door de materiaalstructuur te wijzigen en doteermiddelen te gebruiken. "Om elektrische polarisatie te bereiken die vergelijkbaar is met of beter is dan de veelgebruikte ferro-elektrische materialen van anorganische oxiden, zal het waarschijnlijk wat meer tijd vergen", zegt Sakurai. "Desalniettemin zijn we optimistisch over ons nieuw ontwikkelde ferro-elektrische materiaal, dat in de toekomst zou kunnen worden gebruikt als condensator, piëzo-elektrische sensor/actuator of als onderdeel van niet-vluchtige organische geheugenapparaten."