Die Erzeugung permanenter elektrischer Felder in polymeren Dünnschichten (Elektreten) erfordert klassischerweise einen nachgelagerten Polarisationsschritt, etwa durch Anlegen hoher externer Feldstärken zur Orientierung der molekularen Dipole. Zudem basieren etablierte polarisierte Polymersysteme häufig auf per- und polyfluorierten Alkylsubstanzen (PFAS). Dr. Stefan Schröder und Forschende der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) demonstrierten nun einen neuartigen Synthese-Effekt: Mittels initiierter chemischer Gasphasenabscheidung (iCVD) lassen sich PFAS-freie Polymerfilme herstellen, die sich bereits während des Schichtwachstums intrinsisch polarisieren und permanente Oberflächenpotenziale ohne externen Polungsschritt ausbilden.
Mechanismus der In-Situ-Polarisation via iCVD
Der Effekt beruht auf dem Zusammenspiel aus molekularer Asymmetrie der Monomere und den spezifischen Reaktionsbedingungen der iCVD. Die gasförmigen Ausgangsstoffe weisen eine ungleiche Ladungsverteilung und somit ein permanentes Dipolmoment auf. Während des schonenden radikalischen Kettenwachstums an der Substratoberfläche richten sich die Moleküle geordnet aus. Wurden dieselben Monomere über konventionelle Lösungs- oder Flüssigphasenpolymerisationen umgesetzt, blieb dieser makroskopische Polarisationseffekt aus.
„Eigentlich wollten wir erstmal nur verstehen, welche elektrischen Polarisationseigenschaften an Oberflächen die Moleküle mitbringen, die wir verwenden“, sagt Schröder. „Die Polarisation entsteht bereits während der Beschichtung.“
Abstimmbarkeit und Stabilität der Elektrostatischen Eigenschaften
Die generierten Oberflächenpotenziale korrelieren direkt mit der Schichtdicke im Submikrometerbereich (Untersuchungsbereich: 10 nm bis 1 µm). Durch Variation der Prozessparameter und Monomerbausteine ließen sich Oberflächenpotenziale von bis zu 100 V sowie die Polarisationsrichtung gezielt einstellen. Die kovalente Vernetzung im Zuge der Polymerisation fixiert die Dipolorientierung thermisch, wodurch das elektrische Potenzial unter Umgebungsbedingungen stabil erhalten bleibt. Erst bei Überschreiten einer thermischen Schwelle (ca. 90 °C) setzt eine Reorientierung der Segmente und damit eine Depolarisation ein.
Anwendungspotenziale in Mikroelektronik und Sensorik
Die iCVD-Technologie erlaubt eine konforme, homogene Beschichtung dreidimensionaler und komplex strukturierter Substrate. Durch den Entfall des externen Polungsschritts sowie den Verzicht auf fluorierte Polymere bietet das Verfahren werkstofftechnologische Vorteile für sensorische, mikroelektronische und energietechnische Bauteile (z. B. organische Feldeffekttransistoren, Detektoren oder Photovoltaikkomponenten).
„Für die industrielle Anwendung ist es sehr interessant, dass die Polymerfilme nicht extern gepolt werden müssen und sich präzise Oberflächenpotenziale einstellen lassen“, sagt Dr. Torge Hartig. „Außerdem beinhalten bisherige polarisierte Polymerfilme typischerweise PFAS. Mit dem neuen Effekt sind nun nachhaltigere PFAS-freie polarisierte Polymerfilme möglich.“
Quelle
Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (09/2026)
Publikation
Schröder, S. et al.: Spontaneous polarization in chemical vapor–deposited polymer films creates large electric fields. Science 393, 1031–1035 (2026). DOI: 10.1126/science.aeg9547
https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg9547