Nieuw geheugen van plastic

Plastic elektronica is hot. Het is goedkoop, flexibel en is te verwerken in verpakking van voedingsmiddelen of het textiel van kleding. Maar hoewel er al heel wat plastic elektronische onderdelen bestaan ontbreekt er een vitale component: een goed en goedkoop plastic geheugen. Er bestaat wel plastic geheugen, alleen is dat gemaakt van een nogal kostbaar polymeer en verliest het alle opgeslagen informatie bij temperaturen boven de 80 graden Celsius.

Wetenschappers van het Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) van de RUG en het Duitse Max Planck Institute for Polymer Research hebben een oplossing gevonden voor beide problemen. Hun werk is afgelopen zondag gepubliceerd in het tijdschrift Nature Materials.

Bestaand plastic geheugen is gemaakt van polymeren met ferroelektrische eigenschappen. Dit soort materialen heeft een elektrische polarisatie, vergelijkbaar met de twee polen van een magneet. De polarisatie van ferroelektrische materialen is schakelbaar met behulp van een elektrisch veld. De twee verschillende manieren van polarisatie die mogelijk zijn (hoog of laag, op of neer, 0 of 1) is te gebruiken om informatie op te slaan.

Een goedkoop polymeer, PVDF, dat in bulk gebruikt wordt door de industrie, is al jaren een gedoodverfde kandidaat voor het maken van plastic geheugen. Het is niet alleen goedkoop, maar bezit ook een grote thermische en chemische stabiliteit en het kan ferroelektrische eigenschappen hebben. Alleen bleek het erg moeilijk om van PVDF een werkende elektronische schakeling te maken.

‘Daar zijn twee redenen voor’, vertelt hoogleraar natuurkunde (aan de RUG en het Max Planck Institute for Polymer Research) Dago de Leeuw. Hij is een van de auteurs van het Nature Materials artikel. ‘Allereerst bleek het erg moeilijk om een gladde dunne film van PVDF te maken.’ De films die gemaakt zijn bleken een ruwe structuur te hebben, als microscopisch schuurpapier. ‘Daarnaast leverde de normale manier om dunne films van PVDF te maken geen ferroelektrische eigenschappen op. Het materiaal kristalliseerde in een niet-gepolariseerde fase.’

Het was Mengyuan Li, promovenda natuurkunde aan de RUG, die deze problemen wist op te lossen. Zij gebruikte een alternatieve manier om dunne films van PVDF te maken. ‘De omstandigheden waaronder de film gemaakt werden bleken cruciaal’, vertelt Li. De Leeuw: ‘Normaal gesproken maak je dit soort films bij kamertemperatuur. Maar PVDF blijkt alleen gladde films op te leveren bij hogere temperaturen.’ En als bonus bleken die gladde films ok nog ferroelektrisch te worden wanneer ze werden blootgesteld aan een elektrische puls.

‘PVDF kent vier verschillende kristalfasen’, legt De Leeuw uit. Li was er in geslaagd de delta-fase te maken, die zowel ferroelektrisch is als stabiel bij hogere temperaturen. Het bestaan van delta-PVDF was al in de jaren tachtig voorspeld, maar niemand had het ooit kunnen maken in een dunne film.

In het artikel in Nature Materials laten de onderzoekers zien dat met delta-PVDF inderdaad een plastic geheugen is te maken. De dunne film kon informatie bewaren bij temperaturen tot 170 graden Celsius. Daarmee is delta-PVDF nu de meest veelbelovende kandidaat voor het maken van plastic geheugenmodules.

Plastic elektronica maken de laatste jaren een stormachtige ontwikkeling door en commerciële toepassingen lijken dichtbij, bijvoorbeeld in ‘slimme verpakkingen’ die de houdbaarheid van voedsel in de gaten houden, of slimme kleding die je gezondheid checkt. Al dit soort toepassingen hebben een niet-vluchtig, programmeerbaar geheugen nodig.

De RUG heeft al een aantal doorbraken op het terrein van plastic elektronica op haar naam staan, vertelt De Leeuw: ‘Zowel de plastic ferroelektrische transistor als de diode zijn uitgevonden op het ZIAM. En daar mogen we nu het plastic geheugen aan toevoegen.’ Via het Europese onderzoeksproject MOMA (eMbedded Organic Memory Arrays) wordt momenteel gewerkt aan het opschalen van deze nieuwe technologie.