Et organisk alternativ til oxider? Organisk ferroelektrisk molekyle viser løfte for hukommelseschips, sensorer

Et internationalt team af forskere, herunder forskere fra Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), University of Tokyo og National Institute for Materials Science, har udviklet et nyt organisk ferroelektrisk materiale, der potentielt kan erstatte uorganiske oxider i hukommelseschips , sensorer og andre elektroniske enheder.

Ferroelektrik er en særlig klasse af materialer, der kan skiftes mellem to modsatte elektriske polarisationstilstande ved at påføre et eksternt elektrisk felt. Denne egenskab gør dem ideelle til brug i en række elektroniske enheder, såsom hukommelseschips og sensorer.

I de senere år har der været en stigende interesse for at udvikle organisk ferroelektrik som et alternativ til uorganiske oxider. Organisk ferroelektrik har en række fordele i forhold til uorganiske oxider, herunder deres fleksibilitet, lave omkostninger og lette forarbejdning. Organiske ferroelektriske stoffer har dog typisk været mindre effektive og stabile end deres uorganiske modstykker.

Det nye organiske ferroelektriske materiale udviklet af det OIST-ledede team er baseret på et molekyle kaldet [N-(4-bromobenzyl)-2,5-dimethylpyrrol-3-carboxamid]. Dette molekyle er medlem af en klasse af forbindelser kendt som "triazoler", som har vist sig at have lovende ferroelektriske egenskaber.

Forskerne fandt ud af, at det nye triazol-baserede organiske ferroelektriske materiale havde en høj dielektrisk konstant, som er et mål for dets evne til at lagre elektrisk energi. Materialet udviste også en høj grad af polarisering, som er et mål for dets evne til at skifte mellem dets to modsatte elektriske polarisationstilstande.

Derudover viste det sig, at det nye organiske ferroelektriske materiale var stabilt ved høje temperaturer og under høje elektriske felter. Dette gør det til en lovende kandidat til brug i elektroniske enheder, der fungerer under barske forhold.

Udviklingen af ​​dette nye organiske ferroelektriske materiale er et væsentligt skridt fremad inden for organisk elektronik. Dette materiale kan potentielt bruges i en række elektroniske enheder, såsom hukommelseschips, sensorer og energilagringsenheder.

Et forskerhold ledet af professor Takeharu Sakurai fra den ikke-lineære optikenhed ved OIST's Materials and Devices Unit undersøgte et lille organisk molekyle og opdagede, at det havde høj elektrisk polarisering. Resultatet giver en stærk indikation af, at materialet potentielt bliver et organisk ferroelektrisk materiale. Ferroelektricitet er et fænomen, hvor spontan elektrisk polarisering i et materiale kan vendes - ofte ved at påføre et elektrisk felt. For eksempel er ferroelektriske materialer meget brugt i kondensatorer, som lagrer elektriske ladninger eller elektrisk energi, og i sensorer, der registrerer ændringer i acceleration, bevægelse eller temperatur.

Selvom organiske molekyler har interessante elektroniske, magnetiske, optoelektroniske og mekaniske egenskaber, har organiske ferroelektriske stoffer været vanskelige at syntetisere på grund af deres krystalstrukturer, som forhindrer dannelsen af ​​spontan elektrisk polarisering.

Ferroelektriske oxider anvendes konventionelt, men disse er typisk uorganiske materialer sammensat af metalioner og oxygen, og de er svære at bearbejde og er sårbare over for ydre kræfter. At udvikle et organisk ferroelektrisk materiale sammensat af kulstof, brint, nitrogen, oxygen, svovl og andre elementer ville potentielt løse sådanne problemer.

Holdet ledet af professor Sakurai brugte imidlertid et lille organisk molekyle ved navn [N-(4-bromobenzyl)-2,5-dimethylpyrrol-3-carboxamid] med en todimensionel lagdelt struktur og lykkedes med at syntetisere det organiske ferroelektriske materiale. Det syntetiserede materiale viser en høj elektrisk polarisation ved ca. 8 mikro-Coulombs pr. kvadratcentimeter (μC/cm2) med et påført elektrisk felt på 104 volt pr. mikrometer (V/μm).

Til sammenligning evaluerede forskerholdet organisk og uorganisk ferroelektrisk rapporteret tidligere og fandt ud af, at det syntetiserede organiske ferroelektriske materiale udviser en tilstrækkelig høj elektrisk polarisering. Selvom den elektriske polarisering af det syntetiserede materiale stadig er mindre end den for udbredte uorganiske oxid-ferroelektriske materialer, er den i samme rækkefølge som for polymerer, som er meget udbredte organiske elektronikmaterialer.

Professor Sakurai sigter mod yderligere at forbedre den elektriske polarisering af det organiske ferroelektriske materiale ved at modificere materialestrukturen og bruge dopingmidler. "For at opnå elektrisk polarisering, der er sammenlignelig med eller bedre end udbredt uorganisk oxid-ferroelektrik, vil det sandsynligvis tage noget mere tid," siger Sakurai. "Ikke desto mindre er vi optimistiske med hensyn til vores nyudviklede ferroelektriske materiale, som kan bruges som en kondensator, piezoelektrisk sensor/aktuator eller som en komponent i ikke-flygtige organiske hukommelsesenheder i fremtiden."