Bleifreie piezoelektrische Nanodraht-Nanocellulose-Hybride für flexible Energie-Harvester

• Antragsteller: Dr. Lutz Geelhaar, seit 11/2023
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490935200

Es ist sehr wünschenswert, dass zukünftige elektronische Geräte mit geringem Stromverbrauch nachhaltig, wartungsfrei und selbstversorgend (ohne Batterien) sind. Eine Lösung liegt in der Verwendung von piezoelektrischen Energiewandlern auf Nanodrahtbasis, die mechanische Energie aus der Umgebung in nutzbare elektrische Energie umwandeln können. Die mechanische Flexibilität dieser Nanobauteile macht ihre Integration auf weichen Oberflächen einfach, was für biomedizinische Anwendungen sehr relevant ist. Diese Aussicht erfordert die Entwicklung neuer piezoelektrischer Materialien, die verbesserte Leistungen in Bezug auf Dehnbarkeit und Anpassungsfähigkeit aufweisen. Darüber hinaus sollten diese Materialien Biokompatibilität, biologische Abbaubarkeit und eine hohe elektromechanische Effizienz aufweisen. In NanoFlex werden wir einen neuartigen anorganisch-organischen flexiblen Hybridfilm für die piezoelektrische Energiegewinnung synthetisieren. Wir werden die Kombination von drei einzigartigen Nanomaterialien erforschen: hoch piezoelektrische Nitrid-Nanodrähte, pflanzenbasierte Nanozellulosen und Graphen. Der Grund für die Wahl der Materialien ist die Minimierung des ökologischen Fußabdrucks des Geräts bei gleichzeitiger Gewährleistung einer hohen Flexibilität und Aufrechterhaltung einer beträchtlichen elektromechanischen Effizienz. Wir werden verschiedene Optionen zur Steigerung der piezoelektrischen Leistung der Nitrid-Nanodrähte untersuchen. Wir beginnen mit AlN-Nanodrähtenund legieren sie mit Seltenerdelementen wie Scandium (Sc). Die Gitterfrustration, die durch die Anwesenheit von Sc induziert wird, sollte zu einer außergewöhnlichen Verbesserung der piezoelektrischen Koeffizienten führen. Wir werden die Piezoreaktion der Nitrid-Nanodrähte durch Dehnungsmanagement weiter anpassen, um von den Nichtlinearitäten in den piezoelektrischen Koeffizienten zu profitieren und um die Flexoelektrizität zu nutzen. Unser Ziel ist es, ökologisch ungünstige Komponenten konventioneller flexibler Geräte durch grüne Materialien zu ersetzen. Daher werden wir Nanocellulosen als einkapselnde Matrix für die Nanodrähte und Nanopapiere als flexibles Substrat verwenden. Außerdem werden wir Graphen als elektrischen Kontakt verwenden, um das erzeugte Signal an die externe Schaltung zu koppeln. Unser Ziel ist es, eine nutzbare anorganisch-organische piezoelektrische Folie mit einer Gesamtdicke von bis zu 10 µm herzustellen. Die Funktionalität der Hybridfilme als flexibler piezoelektrischer Energy Harvester wird im Vergleich zu ZnO und anderen bleifreien Konkurrenten evaluiert. Wir werden die Gesamtleistung des Geräts (Piezo-Leistung, Flexibilität und Robustheit) systematisch analysieren und sie mit den Eigenschaften der einzelnen Komponenten, die auf der Nanoskala charakterisiert wurden, sowie mit den Entscheidungen bei der Prozessoptimierung und der Gerätestruktur korrelieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Frank Dahlem; Rudeesun Songmuang
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Thomas Auzelle, bis 11/2023