Einsichten in die mechanischen Eigenschaften polymerer Materialien in aufstrebenden elektronischen Anwendungen - von der Molekülebene zur Anwendung

• Antragsteller: Dr. Lukas Michalek
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456522816

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Während des Walter-Benjamin-Programm arbeitete ich an der Weiterentwicklung des Verständnisses der Eigenschaften von polymeren Materialien für aufstrebende elektronische Anwendungen. Der Hauptfokus lag auf der Entwicklung präziser Charakterisierungsmethoden für Dünnschichtsysteme mittels fortschrittlicher Rasterkraftmikroskopie (AFM). Das Ziel war es, ein neues Verfahren zu entwickeln, um die Morphologie und die Materialeigenschaften unterhalb der Oberfläche direkt zu messen und abzubilden. Verschiedene Verfahren zur präzisen physikalischen Entfernung der Oberflächenschichten wie Ionendünnung (Ar-Strahl, fokussierter Ionenstrahl und Gascluster-Ionenstrahl) und Spitzen basierte Nanofertigung wurden entwickelt, um die darunterliegenden Schichten freizulegen. Insbesondere der Ansatz der Spitzen basierten Nanofertigung ermöglichte eine präzise Kontrolle der entfernten Oberflächenschichten und offenbarte Informationen unter der Oberfläche mit nur minimalen Änderungen in der darunterliegenden Struktur. Darüber hinaus untersuchte ich die in-situ Bildung und Eigenschaften der festen Elektrolytgrenzfläche (SEI) mittels elektrochemischer Quarzkristall-Mikrowaage mit Dissipationsüberwachung (EQCM-D) und in-situ AFM, was eine Echtzeit-Charakterisierung in inerter Atmosphäre erlaubt. Die Studie untersuchte den Zusammenhang zwischen der SEI-Mechanik und der Zyklusleistung von Lithium-Metallanoden und stellte fest, dass die Lebensdauer besser mit den plastischen Eigenschaften, hauptsächlich der Kriechneigung, der SEI als mit ihrem Elastizitätsmodul korreliert. Elektrolyte mit geringer Effizienz erzeugen SEIs mit signifikanter Kriechneigung, von denen angenommen wird, dass sie auf einen erhöhten organischen Gehalt zurückzuführen sind. Dies deutet darauf hin, dass der Einfluss der SEI-Mechanik auf die Lithiumabscheidung komplexer ist als eine einfache mechanische Unterdrückung der drahtförmigen Lithiummorphologie. Die EQCM-D Experimente umfassten Lithium Beschichtungsund Korrosionsstudien, wobei Anstrengungen unternommen wurden, ein Standardverfahren für die in-situ Prüfung der viskoelastischen Eigenschaften in Batteriematerialien zu etablieren.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• In situ genetically targeted chemical assembly of polymers on living neuronal membranes.
  Zhang, Anqi; Loh, Kang Yong; Kadur, Chandan S.; Michalek, Lukas; Dou, Jiayi; Ramakrishnan, Charu; Bao, Zhenan & Deisseroth, Karl
  
• National Nanotechnology Coordinated Infrastructure Image Contest Plenty of Beauty at the Bottom 2022 – “Below the surface – Most Unique Capability” and “Disco in Nano – Most Whimsical”
  Kelly Liu
  
• Realizing Intrinsically Stretchable Semiconducting Polymer Films by Nontoxic Additives. ACS Materials Letters, 4(11), 2328-2336.
  Cheng, Hao-Wen; Zhang, Song; Michalek, Lukas; Ji, Xiaozhou; Luo, Shaochuan; Cooper, Christopher B.; Gong, Huaxin; Nikzad, Shayla; Chiong, Jerika A.; Wu, Yilei; Zheng, Yu; Liu, Qianhe; Zhong, Donglai; Lei, Yusheng; Tomo, Yoko; Wei, Kung-Hwa; Zhou, Dongshan; Tok, Jeffrey B.-H. & Bao, Zhenan
  
• Autonomous alignment and healing in multilayer soft electronics using immiscible dynamic polymers. Science, 380(6648), 935-941.
  Cooper, Christopher B.; Root, Samuel E.; Michalek, Lukas; Wu, Shuai; Lai, Jian-Cheng; Khatib, Muhammad; Oyakhire, Solomon T.; Zhao, Renee; Qin, Jian & Bao, Zhenan
  
• Degradable semiconducting polymers without long-range order for on-demand degradation of transient electronics. Journal of Materials Chemistry C, 11(43), 15205-15214.
  Chiong, Jerika A.; Michalek, Lukas; Peña-Alcántara, Amnahir E.; Ji, Xiaozhou; Schuster, Nathaniel J. & Bao, Zhenan
  
• Effect of Molecular Weight on the Morphology of a Polymer Semiconductor–Thermoplastic Elastomer Blend. Advanced Electronic Materials, 9(9).
  Peña‐Alcántara, Amnahir; Nikzad, Shayla; Michalek, Lukas; Prine, Nathaniel; Wang, Yunfei; Gong, Huaxin; Ponte, Elisa; Schneider, Sebastian; Wu, Yilei; Root, Samuel E.; He, Mingqian; Tok, Jeffrey B.‐H.; Gu, Xiaodan & Bao, Zhenan
  
• Environmentally stable and stretchable polymer electronics enabled by surface-tethered nanostructured molecular-level protection. Nature Nanotechnology, 18(10), 1175-1184.
  Zheng, Yu; Michalek, Lukas; Liu, Qianhe; Wu, Yilei; Kim, Hyunjun; Sayavong, Philaphon; Yu, Weilai; Zhong, Donglai; Zhao, Chuanzhen; Yu, Zhiao; Chiong, Jerika A.; Gong, Huaxin; Ji, Xiaozhou; Liu, Deyu; Zhang, Song; Prine, Nathaniel; Zhang, Zhitao; Wang, Weichen; Tok, Jeffrey B.-H. ... & Bao, Zhenan
  
• Genetically targeted chemical assembly of polymers specifically localized extracellularly to surface membranes of living neurons. Science Advances, 9(32).
  Zhang, Anqi; Loh, Kang Yong; Kadur, Chandan S.; Michalek, Lukas; Dou, Jiayi; Ramakrishnan, Charu; Bao, Zhenan & Deisseroth, Karl
  
• Shear-aligned large-area organic semiconductor crystals through extended π–π interaction. Journal of Materials Chemistry C, 11(26), 8992-9001.
  Zhang, Song; Talnack, Felix; Jousselin-Oba, Tanguy; Bhat, Vinayak; Wu, Yilei; Lei, Yusheng; Tomo, Yoko; Gong, Huaxin; Michalek, Lukas; Zhong, Donglai; Wu, Can; Yassar, Abderrahim; Mannsfeld, Stefan; Risko, Chad; Frigoli, Michel & Bao, Zhenan
  
• Tunable 1D and 2D Polyacrylonitrile Nanosheet Superstructures. ACS Nano, 17(18), 18392-18401.
  Gong, Huaxin; Patino, Diego Uruchurtu; Ilavsky, Jan; Kuzmenko, Ivan; Peña-Alcántara, Amnahir Estefania; Zhu, Chenhui; Coffey, Aidan H.; Michalek, Lukas; Elabd, Ahmed; Gao, Xin; Chen, Shucheng; Xu, Chengyi; Yan, Hongping; Jiang, Yuanwen; Wang, Weichen; Peng, Yucan; Zeng, Yitian; Lyu, Hao; Moon, Hanul & Bao, Zhenan
  
• Tuning the Mobility of Indacenodithiophene-Based Conjugated Polymers via Coplanar Backbone Engineering. Chemistry of Materials, 36(1), 256-265.
  Ji, Xiaozhou; Cheng, Hao-Wen; Schuster, Nathaniel J.; LeCroy, Garrett S.; Zhang, Song; Wu, Yilei; Michalek, Lukas; Nguyen, Bao-Nguyen T.; Chiong, Jerika A.; Schrock, Max; Tomo, Yoko; Rech, Jeromy; Salleo, Alberto; Gam, Sangah; Lee, Gae Hwang; Tok, Jeffrey B.-H. & Bao, Zhenan
  
• “Stanford Emerging Technology Review 2023 – A Report on Ten Key Technologies and Their Policy Implications – 4 Materials Science” | Entire Report: C. Rice, J. B. Taylor, J. Widom, A. Zegart, H. S. Lin
  Z. Bao, L. Michalek & S. Cestellos-Blanco
  
• Sequence-dependent self-assembly of supramolecular nanofibers in periodic dynamic block copolymers. Journal of Materials Chemistry A, 12(2), 1145-1156.
  Phong, Jason K.; Cooper, Christopher B.; Michalek, Lukas; Lin, Yangju; Nishio, Yuya; Shi, Yuran; Gong, Huaxin; Vigil, Julian A.; Ilavsky, Jan; Kuzmenko, Ivan & Bao, Zhenan
  
• Shape-memory-assisted self-healing of macroscopic punctures via high-energy-density periodic dynamic polymers with tunable actuation temperature. Matter, 7(6), 2108-2124.
  Shi, Yuran; Cooper, Christopher B.; Nogusa, Tomoko; Lai, Jian-Cheng; Lyu, Hao; Khatib, Muhammad; Xu, Chengyi; Michalek, Lukas & Bao, Zhenan
  
• Tuning polymer-backbone coplanarity and conformational order to achieve high-performance printed all-polymer solar cells. Nature Communications, 15(1).
  Wu, Yilei; Yuan, Yue; Sorbelli, Diego; Cheng, Christina; Michalek, Lukas; Cheng, Hao-Wen; Jindal, Vishal; Zhang, Song; LeCroy, Garrett; Gomez, Enrique D.; Milner, Scott T.; Salleo, Alberto; Galli, Giulia; Asbury, John B.; Toney, Michael F. & Bao, Zhenan