Ferroelektrik är en speciell klass av material som kan växlas mellan två motsatta elektriska polarisationstillstånd genom att applicera ett externt elektriskt fält. Denna egenskap gör dem idealiska för användning i en mängd olika elektroniska enheter, såsom minneschips och sensorer.
Under senare år har det funnits ett växande intresse för att utveckla organisk ferroelektrik som ett alternativ till oorganiska oxider. Organisk ferroelektrik har ett antal fördelar jämfört med oorganiska oxider, inklusive deras flexibilitet, låga kostnad och lätthet att bearbeta. Organiska ferroelektriska ämnen har dock vanligtvis varit mindre effektiva och stabila än sina oorganiska motsvarigheter.
Det nya organiska ferroelektriska materialet som utvecklats av det OIST-ledda teamet är baserat på en molekyl som kallas [N-(4-brombensyl)-2,5-dimetylpyrrol-3-karboxamid]. Denna molekyl är en medlem av en klass av föreningar som kallas "triazoler", som har visat sig ha lovande ferroelektriska egenskaper.
Forskarna fann att det nya triazolbaserade organiska ferroelektriska materialet hade en hög dielektrisk konstant, vilket är ett mått på dess förmåga att lagra elektrisk energi. Materialet uppvisade också en hög grad av polarisation, vilket är ett mått på dess förmåga att växla mellan dess två motsatta elektriska polarisationstillstånd.
Dessutom visade sig det nya organiska ferroelektriska materialet vara stabilt vid höga temperaturer och under höga elektriska fält. Detta gör den till en lovande kandidat för användning i elektroniska enheter som fungerar under svåra förhållanden.
Utvecklingen av detta nya organiska ferroelektriska material är ett viktigt steg framåt inom området organisk elektronik. Detta material kan potentiellt användas i en mängd olika elektroniska enheter, såsom minneschips, sensorer och energilagringsenheter.
En forskargrupp ledd av professor Takeharu Sakurai från den icke-linjära optikenheten vid OIST:s material- och enhetsenhet undersökte en liten organisk molekyl och upptäckte att den hade hög elektrisk polarisation. Resultatet ger en stark indikation på att materialet potentiellt blir ett organiskt ferroelektriskt material. Ferroelektricitet är ett fenomen där spontan elektrisk polarisering i ett material kan vändas - ofta genom att applicera ett elektriskt fält. Till exempel används ferroelektriska material i stor utsträckning i kondensatorer, som lagrar elektriska laddningar eller elektrisk energi, och i sensorer som upptäcker förändringar i acceleration, rörelse eller temperatur.
Även om organiska molekyler har intressanta elektroniska, magnetiska, optoelektroniska och mekaniska egenskaper, har organiska ferroelektriska ämnen varit svåra att syntetisera på grund av deras kristallstrukturer, som förhindrar bildandet av spontan elektrisk polarisation.
Ferroelektriska oxider används konventionellt, men dessa är vanligtvis oorganiska material som består av metalljoner och syre, och de är svåra att bearbeta och är känsliga för yttre krafter. Att utveckla ett organiskt ferroelektriskt material som består av kol, väte, kväve, syre, svavel och andra element skulle potentiellt lösa sådana problem.
Teamet ledd av professor Sakurai använde dock en liten organisk molekyl som heter [N-(4-brombensyl)-2,5-dimetylpyrrol-3-karboxamid] med en tvådimensionell skiktad struktur och lyckades syntetisera det organiska ferroelektriska materialet. Det syntetiserade materialet visar en hög elektrisk polarisation vid cirka 8 mikro-Coulombs per kvadratcentimeter (μC/cm2) med ett pålagt elektriskt fält på 104 volt per mikrometer (V/μm).
Som jämförelse utvärderade forskargruppen organisk och oorganisk ferroelektrik som rapporterats tidigare och fann att det syntetiserade organiska ferroelektriska materialet uppvisar en tillräckligt hög elektrisk polarisation. Även om den elektriska polariseringen av det syntetiserade materialet fortfarande är mindre än den för allmänt använda ferroelektriska oorganiska oxider, är den i samma ordning som för polymerer, som är allmänt använda organiska elektronikmaterial.
Professor Sakurai siktar på att ytterligare förbättra den elektriska polariseringen av det organiska ferroelektriska genom att modifiera materialstrukturen och använda dopämnen. "För att uppnå elektrisk polarisering som är jämförbar med eller bättre än allmänt använda ferroelektriska oorganiska oxider, kommer det troligen att ta lite mer tid", säger Sakurai. "Icke desto mindre är vi optimistiska om vårt nyutvecklade ferroelektriska material, som kan användas som en kondensator, piezoelektrisk sensor/ställdon eller som en komponent i icke-flyktiga organiska minnesenheter i framtiden."
