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Abstract

Organic ferroelectric materials promise flexible, biocompatible, and easily fabricated alternatives to their inorganic counterparts for applications in, amongst others, sensors, actuators and memory. However, their widespread adoption is hindered by a persistent performance gap. Closing this gap requires the discovery of novel materials with superior intrinsic properties, alongside a deeper understanding of the structure-property relationships that govern their behavior. This thesis presents an experimental investigation of several organic compounds recently identified by a data-mining study as potential room-temperature ferroelectrics. The primary goals were to validate these predictions, characterize novel ferroelectric phenomena, and ultimately refine the predictive screening process. Polycrystalline thin films of the candidate materials were electrically investigated using capacitance-voltage spectroscopy and polarization hysteresis measurements. Despite large differences in stability and background conductivity, all compounds exhibited ferroelectric behavior at room temperature, with relatively large polarization and small coercive field values. Specifically, the ferroelectric properties of one material show a strong dependency on the ambient humidity, whereas another showed a strong coupling between background conductivity and ferroelectric switching. Of the remaining two compounds, one was found to be unstable at room temperature whereas the other displayed multiple polymorphs, complicating reproducibility and limiting their practical potential. Given its unique humidity-dependence, the first material was investigated in detail with frequency-, temperature- and humidity-dependent ferroelectric switching measurements. We observed a pronounced dependence of the ferroelectric properties on switching frequency, temperature and, strikingly, ambient humidity. Interestingly, the ferroelectric behavior appears to be coupled to the complex electrical conductivity. We interpret our findings in terms of a multi-step polarization reversal mechanism, involving a combination of proton transfer and molecular rotations, where the former is thought to also be responsible for the observed long-range charge transport. These properties may find application in new classes of tunable or environment-responsive ‘smart’ materials. Overall, this work not only introduces new functional organic materials but also confirms that data-mining strategies are a powerful paradigm for accelerating their discovery and builds a basis on which these studies can be improved upon.

Translation of abstract (German)

Organische Ferroelektrika versprechen flexible, biokompatible und leicht herstellbare Alternativen zu ihren anorganischen Gegenstücken für Anwendungen unter anderem in Sensoren, Aktuatoren und Speichermedien. Ihre breite Anwendung wird jedoch durch ein anhaltendes Leistungsdefizit erschwert. Das Schließen dieser Lücke erfordert die Entdeckung neuartiger Materialien mit überlegenen intrinsischen Eigenschaften sowie ein tieferes Verständnis der Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, die ihr Verhalten bestimmen. Diese Arbeit präsentiert eine experimentelle Untersuchung mehrerer organischer Verbindungen, die kürzlich durch eine Datenbank-Studie als potenzielle Raumtemperatur-Ferroelektrika identifiziert wurden. Die Hauptziele bestanden darin, diese Vorhersagen zu validieren, neuartige ferroelektrische Phänomene zu charakterisieren und letztendlich den prädiktiven Screening-Prozess zu verfeinern. Polykristalline Dünnschichten der Kandidatenmaterialien wurden mittels Kapazitäts-Spannungs-Spektroskopie und Polarisations-Hysterese-Messungen elektrisch untersucht. Trotz großer Unterschiede in Stabilität und Hintergrundleitfähigkeit zeigten alle Verbindungen ferroelektrisches Verhalten bei Raumtemperatur, mit relativ großer Polarisation und kleinen Koerzitivfeldern. Insbesondere zeigten die ferroelektrischen Eigenschaften eines Materials eine starke Abhängigkeit von der Umgebungsfeuchtigkeit, während ein anderes eine starke Kopplung zwischen Hintergrundleitfähigkeit und ferroelektrischem Schalten aufwies. Von den verbleibenden zwei Verbindungen erwies sich eine als instabil bei Raumtemperatur, während die andere mehrere Polymorphe zeigte, was die Reproduzierbarkeit erschwert und ihr praktisches Potenzial einschränkt. Aufgrund seiner einzigartigen Feuchtigkeitsabhängigkeit wurde das erste Material detailliert mit frequenz-, temperatur- und feuchtigkeitsabhängigen Messungen des ferroelektrischen Schaltens untersucht. Wir beobachteten eine ausgeprägte Abhängigkeit der ferroelektrischen Eigenschaften von der Schaltfrequenz, der Temperatur und, bemerkenswerterweise, der Umgebungsfeuchtigkeit. Interessanterweise scheint das ferroelektrische Verhalten an die komplexe elektrische Leitfähigkeit gekoppelt zu sein. Wir interpretieren unsere Ergebnisse im Sinne eines mehrstufigen Polarisationsumkehrungsmechanismus, der eine Kombination aus Protonentransfer und Molekülrotationen beinhaltet, wobei ersterer vermutlich auch für den beobachteten langreichweitigen Ladungstransport verantwortlich ist. Diese Eigenschaften könnten Anwendung in neuen Klassen von regelbaren oder auf die Umgebung reagierenden „Smart-Materials“ finden. Insgesamt stellt diese Arbeit nicht nur neue funktionale organische Materialien vor, sondern bestätigt auch, dass „Data-Mining“-Strategien ein mächtiges Paradigma zur Beschleunigung ihrer Entdeckung darstellen und bildet eine Basis für die Verbesserung dieser Analysen.