Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

New ferroelectric organic molecular crystals through computer design and experimental realization

Alternativ tittel: Nye ferroelektriske organiske molekylkrystaller med datamaskin-basert design og eksperimentell realisering

Tildelt: kr 7,8 mill.

Hvis du setter en elektrisk spenning over et materiale, vil atomene i materialet bevege seg. Forflytningen av atomene vil føre til at de elektriske ladningene i materialet også beveger på seg. I vanlige materialer forsvinner denne ladningen når du skrur av spenningen, men i ferroelektriske materialer husker materialet denne forflytningen, og dermed også overflateladningen. Hvis du drar eller bøyer i materialer vil ladningen på overflaten bli større eller mindre, som kalles piezoelektrisitet. Dette gjør at ferroelektriske materialer også er godt egnet i sensorer, skjermer og energihøsting. Dagens ferroelektriske materialer er laget av keramer som som ofte består av sjeldne eller giftige tungmetaller. Det krever også mye energi å lage de ferroelektriske keramene, de kan bare lages ved høy temperatur. Et alternativ er ferroelektriske molekylkrystaller. Det som gjør disse så spennende at det det finnes nærmest uendelig mange måter å designe og optimere slike materialer ved å kombinere ulike molekyler. Slike molekylkrystaller kan også gi opphav til helt nye og spennende egenskaper. F.eks. såkalte plastiske krystaller, som består av molekyler som er litt runde eller globulære, blir formbare ved høyere temperaturer som gjør de mye lettere å integrere i elektroniske enheter. I prosjektet fokuserer vi på to typer molekylære ferroelektriske materialer: protonovergang- og plastisk-ioniske krystaller. I de protonovergang-materialene byter protoner molekyl når vi setter en elektrisk spenning over materialet. Vi har nå funnet en teoretisk metode som kan beskrive proton-overganger og krystallstruktur ganske nøyaktig. Plastisk-ioniske materialer er plastiske krystaller bundet sammen av delvis ioniske bindinger. Siden molekylene i disse materiale er ganske runde gjør at du kan rotere og dermed bytte retning, men de kan også ha en faseovergang til en plastisk-ionisk faseovergang. For en rekke kjente plastisk-ioniske krystallene har vi modellert piezoelektriske egenskaper og funnet ut at de kan ha stor elektrisk respons om de vris, nettopp fordi molekylene kan rotere. Våre resultater indikerer at disse materiale bør undersøkes mer for sine piezoelektriske egenskaper. Vi har nå søkt gjennom kjente organiske krystaller (ca. 500,000). Teoretisk fant vi ca. 7 nye materialer som vi mener er sannsynlige proton-baserte materialer, hvorav 3 virker attraktive. Vi har også funnet ca. 50 mulige nye plastiske krystaller på denne måten. Vi har nå klart å påvise eksperimentelle ferroelektriske egenskaper for 4 av de plastiske ioniske krystallene funnet i databasesøket, men flere av materialene er skjøre og vanskelige å jobbe, f.eks. kan de fordampe under målinger. Minst to av materialene viser såpass lovende egenskaper at vi jobber videre med for å lage ferroelektriske pelleter. De andre to materialene vil også være av interesse å karakterisere videre, men det er usikkert om vi rekker det innenfor prosjektet pga. tekniske vanskelighetene. Våre samarbeidspartnere i Heidelberg, hvor Post Doc. Dr. Balagopalan hadde utenlandsopphold og lært verdifulle ferdigheter, har også vist store interesse i egenskapene til materialene vi har realisert, og det skjer nå parallelle målinger i labben deres. Av proton-overgang krystallene har vi lyktes å påvise ferroelektriske egenskaper for 1 av materialene, men egenskapene er utypiske, som kan forventes pga. strukturen. På teori-siden har vi brukt krystallstruktur-prediksjon til å finne flere former for kokrystall proton-overgang ferroelektriske krystaller. Basert på dette har vi nå teoretisk designet 4 nye slike. Et av de har vi forsøkt realisert, men ikke lykkes med å karakterisere grundig ennå. Vi regner med å kunne framstille krystallene tidlig neste år. Om vi klarer å bekrefte de gode teoretiske egenskapene predikert, så kan dette ha stor impact. Vi har også lykkes med å bruke avanserte teoretiske metoder for å karakterisere faseoverganger til et kjent plastisk ionisk krystall. Vi er nå i ferd med å grundig karakterisere 2-4 av de plastisk ioniske krystallene. Samtidig ser vi at dette krever mer modellering for å forstå grundig. Prosjektet har basert seg i stor grad på at teori kommer først for å finne interessante og designe interessante materialer, etterfulgt av eksperimentell testing. Svakheten med dette er at vi har begrenset med ressurser til å analysere de eksperimentelle funnene. Det kommer en endringsmelding hvor vi ønsker å flytte ressurser fra innkjøp av molekyler og reiser (som det ble mindre av pga. Covid) til å personalkostander på NMBU for å sikre god teoretisk analyse av de eksperimentelle målinger. Det er heller ikke behov for vesentlige ytterligere innkjøp av materialer, siden mange av krystallene vi har funent og designet består av kjente og lett tilgjengelige molekyler.

Ferroelectric organic molecular crystals have the potential to replace current inorganic materials used in ferroelectric random access memory (FeRAM) which could significantly reduce fabrications costs and reliance on toxic or scarce chemical elements. It can also extend the usage of organic ferroelectrics to other niches. However, compounds with a larger ferroelectric-paraelectric phase transition temperature is urgently needed to bring this promise into fruition. In addition, modest coercive fields and sizeable polarization is needed. However, a deeper understanding of their physical properties is required and so is also a systematic design approach. The Fox project will obtain such insight by using sophisticated modelling methods and comparison with experimental results. Moreover, we will systematically design new organic ferroelectrics in a reliable manner to improve performance. The most promising candidates will be crystallized and in turn characterized both by the project group and by collaborators, which will provide further understanding and the potential for realizing record-breaking organic ferroelectrics. Computational-guided discovery, with experimental and characterization, has in recent years proven itself as a powerful approach for engineering new materials, but organic ferroelectric molecular crystals have been largely been overlooked. We have assembled a strong team of scientists and international collaborators, with access to, and experience with, a range of different characterization methods needed for in-depth analysis of these compounds.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek