Als Beschichtungen sind Polymere besonders interessant, die ein dauerhaftes elektrisches Feld erzeugen. Sie bringen eine elektrische Funktion in das Bauteil ein, ohne dass dafür dauerhaft eine Spannung angelegt werden muss. Bisher mussten dafür Forscher die Schichten zusätzlich polarisieren. Zudem enthalten viele der bislang eingesetzten polarisierten Polymerfilme PFAS.
Forscher der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben nun einen Weg gefunden, auf diesen zusätzlichen Schritt der Polarisation zu verzichten. Dr. Stefan Schröder, der am Lehrstuhl von Prof. Franz Faupel eine Untergruppe leitet, hat mit seinem Team mittels initiierter chemischer Gasphasenabscheidung (iCVD) bestimmte Polymere bereits während ihrer Herstellung polarisiert. Dieser Effekt war bislang nicht bekannt.
Oberflächenpotenzial ohne äußeres elektrisches Feld
Die Entdeckung entstand im Rahmen zu Arbeiten an Elektret-Dünnschichten. Elektrete sind Materialien, die dauerhaft ein elektrisches Feld erzeugen. Das Team arbeitete mit verschiedenen Molekülen, die sich als Ausgangsstoffe für Polymerbeschichtungen eignen. Als Schröder und seine Kollegen daraus Polymerfilme herstellten und deren Oberflächenpotenzial untersuchten, stießen sie auf eine unerwartete Beobachtung: Die Schichten erzeugten ein Oberflächenpotenzial bis 24 V, obwohl niemand zuvor ein äußeres elektrisches Feld angelegt hatte. Offenbar hatten sich die Polymerfilme bereits während ihrer Herstellung von selbst polarisiert.
Entscheidend ist dabei einerseits die Struktur der Moleküle: Ihre elektrische Ladung ist oft ungleichmäßig verteilt, sodass sie eine bestimmte elektrische Ausrichtung erhalten. Ebenso wichtig ist das Herstellungsverfahren: Mit der iCVD verbinden Forscher 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 zu Polymeren verarbeitet, konnte das Team kein elektrisches Potenzial beobachten.
Schichten erreichen bis zu 100 V
Die Stärke des Oberflächenpotenzials können die Forscher beeinflussen. Sie können mittlerweile Schichten mit bis zu 100 V herstellen. Die Schichten sind nur 10 nm bis 1 ㎛ 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 Ausgangstoffe 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 °C, verliert die Beschichtung ihre Polarisation wieder.
Die neue Methode eröffnet viele Möglichkeiten für künftige Anwendungen. Die selbstpolarisierenden Polymerfilme könnten beispielsweise in Elektronik, Sensorik, Energietechnik oder an biologischen Grenzflächen zum Einsatz kommen. Ein Vorteil des Verfahrens ist, dass es auch komplexe Oberflächen gleichmäßig beschichten kann.