Dünne Polymerbeschichtungen können Oberflächen gezielt mit zusätzlichen Eigenschaften ausstatten. In der Elektronik lassen sich damit beispielsweise elektrische Eigenschaften von Bauteilen beeinflussen. Besonders interessant sind Polymere, die ein dauerhaftes elektrisches Feld erzeugen können. Diese bringen eine elektrische Funktion direkt in das Bauteil ein, ohne dass dafür dauerhaft eine äußere Spannung angelegt werden muss. Dafür mussten Forschende die Schichten bislang in einem zusätzlichen Schritt polarisieren – also die elektrischen Ladungen im Material gezielt ausrichten. Zudem enthalten viele der bislang eingesetzten polarisierten Polymerfilme PFAS, sogenannte Ewigkeitschemikalien.
Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun einen Weg gefunden, auf diesen zusätzlichen Schritt der Polarisation zu verzichten. Im Journal „Science“ zeigt Dr. Stefan Schröder, der am Lehrstuhl von Professor Franz Faupel eine eigenständige Untergruppe leitet, wie sein Team mit der initiierten chemischen Gasphasenabscheidung (iCVD) bestimmte Polymere bereits während ihrer Herstellung polarisieren kann. Dieser Effekt war bislang nicht bekannt.
Die beschichtete Siliziumprobe auf einem Messgerät: Im Hintergrund zeigt das Gerät ein Oberflächenpotenzial von 16 Volt an. © Christina Anders, Uni Kiel
Das Oberflächenpotenzial entsteht beim Beschichten
Die Entdeckung entstand im Rahmen zu Arbeiten an Elektret-Dünnschichten. Elektrete sind Materialien, die dauerhaft ein elektrisches Feld erzeugen – ähnlich wie ein Kühlschrankmagnet dauerhaft magnetisch ist. Das Team arbeitete mit verschiedenen Molekülen, die sich als Ausgangsstoffe für Polymerbeschichtungen eignen. „Eigentlich wollten wir erstmal nur verstehen, welche elektrischen Polarisationseigenschaften an Oberflächen die Moleküle mitbringen, die wir verwenden“, sagt Schröder. Als er und seine Kollegen daraus Polymerfilme herstellten und deren Oberflächenpotenzial untersuchten, stießen sie auf eine unerwartete Beobachtung: Die Schichten erzeugten ein Oberflächenpotenzial von bis zu 24 Volt, obwohl niemand zuvor ein äußeres elektrisches Feld angelegt hatte. Offenbar hatten sich die Polymerfilme bereits während ihrer Herstellung von selbst polarisiert.
„Die Polarisation entsteht bereits während der Beschichtung“, erklärt Schröder. Entscheidend ist dabei einerseits die Struktur der verwendeten Moleküle: Ihre elektrische Ladung ist oft ungleichmäßig verteilt, sodass sie eine bestimmte elektrische Ausrichtung erhalten. Ebenso wichtig ist das Herstellungsverfahren: Mit der iCVD verbinden Forschende diese gasförmigen Moleküle zu einer dünnen Schicht aus Makromolekülen oder Polymeren. Bei diesem besonders sanftem Prozess geschieht die Polarisation von selbst. Wurden dieselben Ausgangsstoffe dagegen auf anderem Weg, nicht über die Gasphasenabscheidung, zu Polymeren verarbeitet, konnte das Team kein elektrisches Potenzial beobachten.
Die Stärke des entstehenden Oberflächenpotenzials können die Forschenden gezielt beeinflussen. Sie können mittlerweile Schichten mit bis zu 100 Volt herstellen. Die hohen Oberflächenpotenziale entstehen in extrem dünnen Beschichtungen: Die von den Forschenden untersuchten Schichten sind nur zehn Nanometer bis ein Mikrometer dick und damit für das bloße Auge unsichtbar. Dabei steigt das Oberflächenpotenzial mit der Dicke der Polymerschicht. Auch die Richtung der Polarisation konnten Schröder und seine Kollegen über die Wahl der verwendeten Ausgangstoffe gezielt verändern.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass die Polymerisation den Zustand stabilisiert: Die Moleküle können sich nach ihrer Ausrichtung nicht einfach wieder frei bewegen und werden festgehalten. Dadurch bleibt das elektrische Potenzial unter Umgebungsbedingungen erhalten. Bei höheren Temperaturen, etwa 90 Grad Celsius, verliert die Beschichtung ihre Polarisation wieder.
Neue Funktionen für dünne Polymerbeschichtungen
Die neue Methode eröffnet vielfältige Möglichkeiten für zukünftige Anwendungen. Die selbstpolarisierenden Polymerfilme könnten beispielsweise in Elektronik, Sensorik, Energietechnik oder an biologischen Grenzflächen zum Einsatz kommen. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens ist, dass es auch komplex geformte Oberflächen gleichmäßig beschichten kann. So könnten künftig elektrische Felder gezielt auf dreidimensionalen Oberflächen erzeugt werden. Das Team vermutet, dass die Beschichtungen langfristig dazu beitragen können, den Energiebedarf elektronischer Bauteile zu senken.
„Für die industrielle Anwendung ist es sehr interessant, dass die Polymerfilme nicht extern gepolt werden müssen und sich präzise Oberflächenpotenziale einstellen lassen“, sagt Materialwissenschaftler Dr. Torge Hartig, der ebenfalls Autor der Studie ist und das Unternehmen conformally GmbH gemeinsam mit Schröder und weiteren Kollegen aus der CAU heraus gegründet hat. „Außerdem beinhalten bisherige polarisierte Polymerfilme typischerweise PFAS. Mit dem neuen Effekt sind nun nachhaltigere PFAS-freie polarisierte Polymerfilme möglich.“
Mit conformally bringen Hartig und sein Team die iCVD-Technologie aus der Forschung in die industrielle Anwendung. Das Verfahren ermöglicht es, auch komplex geformte Oberflächen besonders dünn und gleichmäßig zu beschichten. Die selbstpolarisierenden Polymerfilme wären überall dort gefragt, wo elektrische Felder direkt an Oberflächen benötigt werden: etwa in Sensoren, Detektoren oder mikroelektronischen Bauteilen, wie man sie beispielsweise in Handys findet. Auch Anwendungen in Solarzellen hält das Autorenteam für denkbar.