Leitfähige organische Polymere sollen in der Optoelektronik ihr volles Potenzial ausschöpfen
Leitfähige organische Polymere besitzen viele nützliche Eigenschaften von organischen Polymere und weisen gleichzeitig eine elektrische Leitfähigkeit wie Halbleiter auf, wodurch sie für eine Vielzahl optoelektronischer Anwendungen gut geeignet sind. Mit Unterstützung des Marie-Skłodowska-Curie-Programms zielte das Projekt Tuning COPs darauf ab, das Potenzial dieser Materialien zu erhöhen, indem Wege für die Abstimmung ihrer leitenden und optischen Eigenschaften gefunden werden.
Ein einzigartiges Paradox nutzen
Elektronen und Photonen sind voneinander abhängig. Die Absorption von Licht (Photonen) kann Elektronen auf höhere Energieniveaus anregen. Wenn sich die Elektronen auf ein niedrigeres Energieniveau entspannen, werden häufig Photonen emittiert. Dieser Prozess ist normalerweise durch die Elektronenkonfigurationen der Materialien oder Moleküle und ihrer Atome gut definiert. Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) ist ein stark untersuchtes leitfähiges organisches Polymer. Im Gegensatz zu den meisten Leitern, die genau deshalb undurchsichtig sind, weil die freien Elektronen, die sie zu guten Leitern machen, auch die Absorption von Photonen begünstigen, ist PEDOT ein transparenter Leiter. PEDOT kann in handelsüblichen Formen, wie zum Beispiel dotiert mit dem Polymer Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS), Photolumineszenz und elektrische Leitfähigkeit aufweisen. Dies ist in Anwendungen wie Bildschirmen, Antistatikfilmen, Photovoltaik, gedruckten Schaltungen und Sensoren nützlich. Diese Eigenschaften können verändert werden, indem beispielsweise Elektronen hinzuzugefügt oder entfernt werden (Reduktion bzw. Oxidation). Die Projektleiterin und Professorin am Institut für Materialwissenschaft von Barcelona Clara Viñas i Teixidor erklärt: „Die Photolumineszenz und elektrische Leitfähigkeit von PEDOT-basierten Materialien hängen nur von der physikalischen Abscheidungsmethode ab und können nicht abgestimmt werden. Wir haben versucht, ein Redoxpotential zu nutzen, um sowohl das Polymer als auch das Dotierungsmittel abzustimmen.“
Nichts unversucht lassen
Die Forschung von Viñas führte zu beeindruckenden Ergebnissen. Sie konzentrierte sich auf die begleitenden Kationen der Dotierungsanionen, welche die Stöchiometrien der leitfähigen organischen Polymere bestimmen, die wiederum die elektrochemischen Eigenschaften beeinflussen, und demonstrierte so einen einfachen und effizienten Weg für eine Abstimmung. Dieses Ergebnis wurde auf der Titelseite von „Chemistry – A European Journal“ veröffentlicht. Bei der Untersuchung der beabsichtigten Verwendung von Metallacarboranen als abstimmbare Dotierungsanionen entdeckte Viñas zufällig auch ihre photoredoxkatalytische Eigenschaft und scheinbare thermoelektrische Kapazität. Experimentelle und rechnerische Untersuchungen von Metallacarboranen führten zu Veröffentlichungen zur Photolumineszenz in zweiwertigen und dreiwertigen Metallacarboranen.
Wegbereiter für zukünftige Anwendungen
„Es war aufregend festzustellen, dass nach so vielen Jahren der Forschung an leitfähigen organischen Polymeren etwas so Triviales wie das begleitende Kation, das normalerweise als unwichtig angesehen wird oder eine klare und vorhersehbare Oxidationsstufe hat, die Stöchiometrie des leitenden Polymers und seine physikalisch-chemischen Eigenschaften ändern konnte“, erklärt Viñas. Wichtig ist, dass diese Fähigkeit zur Abstimmung der Photolumineszenz- und Leitfähigkeitseigenschaften in denselben Polymeren mit anderen Dotierungsanionen nicht möglich ist und Fortschritte bei Anwendungen wie Leuchtdioden, Elektrolumineszenzmaterialien und organischen Solarzellen, um nur einige zu nennen, vorantreiben sollte. Die Nutzung der möglichen thermoelektrischen Eigenschaften dieser Materialien könnte auch ihre Verwendung in Wärmerückgewinnungsgeräten fördern. Viñas schließt: „In den nächsten Schritten müssen Wege gefunden werden, um dieselben Materialien auf verarbeitbare Weise herzustellen. Dies war und ist das schwache Glied für die nachhaltige Entwicklung dieser äußerst attraktiven Materialien. Die Überwindung dieses Hindernisses wird die Tür zu enormen Vermarktungsmöglichkeiten öffnen.“ Der Aufbau von Kooperationen mit Industriepartnern könnte der europäischen Führungsrolle im Bereich abstimmbarer leitfähiger organischer Polymere für zahlreiche innovative Anwendungen eine glänzende Zukunft sichern.
Schlüsselbegriffe
Tuning COPs, Photolumineszenz, Leitfähigkeit, leitfähige organische Polymere, Elektronen, Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT), Photonen, Dotierung, Anionen, Metallacarborane, photoredox, thermoelektrisch
