Noch mehr Möglichkeiten für organische Halbleiter
Von Funkerkennungschips (Radio Frequency Identification, RFID) bis zu OLED-Displays und Solarzellen: das große Potenzial organischer Halbleiter ist allgemein anerkannt. Ein Marie-Curie-Projekt wollte potenzielle Innovationen auf die nächste Stufe heben, indem es mithilfe von Nukleierungsmittelzusätzen eine bessere Kontrolle der physikalischen Eigenschaften dieser Systeme ermöglicht. Organische Polymerhalbleiter gelten in den innovativsten Branchen der EU als Materialien mit enormem Potenzial. Dank ihrer ausgezeichneten Leistung in Bezug auf elektrische Leitfähigkeit, thermische Stabilität, Verträglichkeit mit mechanisch flexiblen Substraten, kostengünstige Herstellung und die einfache Integration mit chemischen und biologischen Funktionen erleben diese Materialien in jüngster Zeit einen regelrechten Hype. Heute sind sie vor allem für ihre vielversprechenden Anwendungen bei der Entwicklung von verbesserten Solarzellen und flexiblen Displays bekannt. Um diese Materialien voranzutreiben und dem internationalen Wettbewerb besser gewachsen zu sein, ist eine bessere Steuerung ihrer physikalischen Organisation erforderlich. Beispielsweise ist es derzeit nicht möglich, die Kristallisation selbst des einfachsten „Plastiks“ – PE – zu kontrollieren, das sonst ein viel besseres Material als das spröde, aber weit verbreitete „Polystyrol“ (PS) hergeben würde. Eine solche Kontrolle würde es der Industrie ermöglichen, das Aussehen eines verbesserten PE mit hoher mechanischer Festigkeit sowie bei niedrigen Herstellungskosten nach Belieben zu verändern. Mit diesem Ziel vor Augen setzte das von der EU finanzierte Projekt CONDPOLYBLENDORD (Controlling the Order of Functional Polymers and their Corresponding Blends) Nukleierungsmittelzusätze ein, um die Systemorganisation in leitfähigen Polymeren und deren entsprechenden Mischungen zu steuern. Während geringe Mengen an Zusatzstoffen seit Jahrzehnten eingesetzt werden, um die Festkörperstruktur und Eigenschaften von Materialien zu manipulieren, würde ihre Anwendung auf organische Polymerhalbleiter den Weg für viele Innovationen in der Branche ebnen. CONDPOLYBLENDORD wurde Ende Februar abgeschlossen. In diesem exklusiven Interview mit research*eu spricht Neil Treat über seine Feststellungen. Sie behaupten, auf der Suche nach dem heiligen Gral der Polymer-Gemeinde zu sein. Was genau ist damit gemeint? Im Rahmen von CONDPOLYBLENDORD verwendeten wir das bekannte Konzept der Zusatzstoffe, um eine der großen Herausforderungen im Bereich der organischen Halbleiter anzugehen: die Kontrolle ihrer physikalischen Organisation. Wir wollten molekulare Ordnung und konformative Verteilungen bei organischem Konjugatmaterial mit elektronischen, magnetischen und optischen Phänomenen in Verbindung bringen und Erkenntnisse gewinnen, ähnlich wie im Bereich der Polymermechanik, wo dieses Wissen zur Entwicklung von ultra-hochfesten Polymerfasern etwa für den Einsatz in kugelsicheren Westen oder in hervorragenden medizinischen Instrumenten führte. Was hat Sie zu Forschungen in diesem Bereich veranlasst? Schon seit dem ersten Jahr meines Grundstudiums interessierte ich mich für Polymere. Ich erinnere mich daran, wie ich mir vorstellte, dass die Polymersysteme, die in meinem Labor erforscht wurden, lebensrettende Arzneimittel verbessern würden. Von da an wollte ich nie, dass meine Forschungen auf einem Elfenbeinturm stattfinden; am stärksten inspiriert fühlte ich mich an vorderster Front meines Fachgebiets – beim Analysieren, Hinterfragen und Verbessern von Technologie. Als Forscher nahm ich mir vor, meine Leidenschaft – die Wissenschaft – dafür zu nutzen, um die Probleme der Menschen zu lösen und deren Bedürfnisse zu erfüllen. Diese Erkenntnis brachte mich dazu, an der Universität von Kalifornien in Santa Barbara zu promovieren, und zwar mit der Erforschung einer Klasse von Solarzellen mit Polymeren als aktive Komponenten. Diese Systeme haben das Potenzial, für große Flächen kostengünstig hergestellt werden zu können. Während meiner Zeit dort erhielt ich eine Einladung von Professorin Natalie Stingelin am Imperial College London, um zwei Monate in ihrer Gruppe zu arbeiten. Natalie Stingelin und ich fingen an, uns mit einer in der Gemeinschaft der organischen Elektronik noch unerforschten Idee zu befassen: Wie kann man Nukleierungsmittel nutzen, um Strukturen und elektronische Eigenschaften zu beeinflussen? Glücklicherweise stellte sich dieser Ansatz als einfach und leistungsfähig heraus, er würde der Gesellschaft durch eine kostengünstigere Produktion von erneuerbaren Energieträgern nutzen können. Diese Erfahrung brachte mich dazu, mich den Möglichkeiten für eine Weiterentwicklung dieser bahnbrechenden Technologie auf dem Gebiet der organischen Elektronik zu widmen. Wie unterscheidet sich Ihr Ansatz von der derzeitigen Verwendung von Zusatzstoffen? Der Ansatz von CONDPOLYBLENDORD folgt einer weit verbreiteten Strategie, die unter anderem in klassischen Polymersystemen sowie in neuen Materialsystemen wie organischen Halbleitern verwendet wird. Dieser Ansatz umfasst die Zugabe von Zusatzstoffen für Bereiche mit großer Oberfläche, welche die Anzahl der Kernbildungsstellen im Ausgangsmaterial erhöhen und daraus resultierend dessen Kristallitgröße steuern. So führten unsere Ergebnisse aufgrund ihrer Einfachheit und Vielseitigkeit zu weiteren Studien im Bereich der organischen Halbleiter, die von Geräteentwicklern (z. B. für neue Verarbeitungsprotokolle) und Physikern (z. B. zum Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Ladungstransport) durchgeführt wurden. Andere potenzielle Anwendungen in diesem Bereich umfassen die Verwendung von Nukleierungsmitteln, um die Phasenmorphologien von aktiven Schichten in organischen Solarzellen zu steuern, in denen eine feine Verteilung der aktiven Komponenten vorteilhaft sein könnte. Grundsätzlich steuern Nukleierungsmittel die Größe der kristallinen Bereiche in solchen Materialien, was die Nutzung dieser Additive für die Herstellung von photonischen Strukturen ermöglicht. Ebenso können sie für Grundlagenforschungen etwa zum Einfluss von Korngrenzen auf den Ladungstransport in organischen Halbleitern genutzt werden. Wie nah sind Sie dem Abschluss des Projekts? CONDPOLYBLENDORD wurde Ende Februar abgeschlossen und wir haben die Ziele erreicht, die wir uns zu Beginn des Projekts gesetzt haben. Die Erkenntnisse aus dem Projekt werden auf die unterschiedlichsten anderen Funktionssysteme (z. B. Ferroelektronik, magnetische organische Materialien, Nanomaterialien, usw.) anwendbar sein und wir hoffen, dass unsere Arbeit andere Gruppen dazu bewegt, ebenfalls diese Strategie zu verfolgen. Welche Möglichkeiten bieten Ihre neuen Nukleierungsmittel der europäischen Industrie? CONDPOLYBLENDORD machte wirklich deutlich, wie wichtig es ist, Forschung, Technologie und Innovation zu vereinen, um die Polymerindustrie weiter in ihren Bemühungen um Wandel zu unterstützen, statt nur Rohstoffe zu liefern, lebensverändernde Produkte herzustellen und diese aktiv in den europäischen PV-Sektor einzubringen. Ich wollte zum Grundlagenwissen über halbleitende Polymere und deren entsprechenden Mischungen durch die Kontrolle der Morphologie in diesen Systemen mittels Nukleierungszusätzen beitragen – dieser Ansatz wurde für halbleitende Polymere und deren Gemische vorher noch nie untersucht und angewendet. Die Steuerung der Nanomorphologie von leitfähigen Polymeren und deren Mischungen ist für weitere Entwicklungen auf dem Gebiet der organischen Elektronik immer noch wichtig. Insofern sollte CONDPOLYBLENDORD einen wesentlichen Beitrag für die europäische Forschung und Industrie zur organischen Elektronik leisten, indem wir das Wissen zur Steuerung der Morphologie von Polymer-Fulleren-Mischungen erweitern wollten. Ich wollte mir außerdem interdisziplinäres Fachwissen aus Chemie, Technologie und Physik zunutze machen, um ein besseres Verständnis über die Anforderungen an die Nukleierung zu gewinnen. Dadurch war ich in der Lage, neue Materialien zu entwerfen, die schließlich zur Entwicklung von neuen Möglichkeiten für einfache und vielseitige Produkte führen und somit Europas Position in der innovativen Fertigung langfristig stärken könnten. Wann werden sich Ihre Forschungen auf den Markt auswirken? Produkte mit organischen Halbleitern wie „organische Leuchtdioden“ (OLED) haben bereits den Weg in unseren Alltag gefunden, beispielsweise in mobilen Geräten. CONDPOLYBLENDORD konzentriert sich auf die grundlegenden Aspekte der Frage, wie sich die Kristallisation bei dieser Klasse von funktionellen Materialien steuern lässt. Wir glauben, dass unsere Ergebnisse zu weiteren technologischen Entwicklungen beitragen werden. Wir hoffen, dass Nukleierungsmittel die Wirtschaftlichkeit von anderen Materialsystemen erhöhen werden, indem sie Aspekte wie die Batch-to-Batch-Reproduzierbarkeit verbessern. Was sind die nächsten Schritte für das Projekt und haben Sie irgendwelche Folgepläne? Mit dem Zentrum für Kunststoffelektronik (Centre of Plastic Electronics) am Imperial College London werden wir auch weiterhin Nukleierungsmittel nutzen, um die Kristallisation und Mikrostrukturbildung innerhalb neuartiger Technologien wie etwa bei Perowskit-Photovoltaik-Zellen zu steuern.
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Vereinigtes Königreich