TU Dresden: Neuer Polymerkristall leitet Strom wie ein Metall

Schematische Darstellung des Verfahrens zur Synthese von 2DPANI auf der Wasseroberfläche - (Bild: Peng Zhang).

In einer kürzlich in der Fachzeitschrift „Nature“ veröffentlichten Studie hat ein internationales Forscherteam ein bahnbrechendes zweidimensionales leitfähiges Polymer entwickelt - eine spezielle, geordnete Form von Polyanilin (2DPANI) mit außergewöhnlicher elektrischer Leitfähigkeit und metallischem Ladungstransportverhalten. Diese Entdeckung gilt als grundlegender Durchbruch in der Polymerforschung und eröffnet neue Möglichkeiten für die Entwicklung leistungsfähigerer organischer Elektronik.

Leitfähige Polymere wie Polyanilin, Polythiophen und Polypyrrol sind für ihre hervorragende elektrische Leitfähigkeit bekannt und haben sich als vielversprechende, kostengünstige, leichte und flexible Alternativen zu herkömmlichen Halbleitern und Metallen erwiesen. Die Bedeutung dieser Materialien wurde im Jahr 2000 durch die Verleihung des Nobelpreises für Chemie an Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid und Hideki Shirakawa für ihre bahnbrechende Entdeckung und Entwicklung leitfähiger Polymere unterstrichen. Damit wird das transformative Potenzial von Polymeren in der modernen Wissenschaft und Technologie gewürdigt. Trotz großer Fortschritte leiten diese Materialien Elektronen hauptsächlich entlang ihrer Polymerketten. Die Leitfähigkeit zwischen den Polymersträngen oder -schichten bleibt jedoch begrenzt, da die Moleküle nicht gut miteinander verbunden sind und die elektronischen Wechselwirkungen schwach sind.

Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forscherteam der TU Dresden und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik Halle in Zusammenarbeit mit internationalen Partnern einen mehrschichtigen zweidimensionalen Polyanilin-Kristall (2DPANI) synthetisiert und charakterisiert. „Dieses Material weist eine außergewöhnliche Leitfähigkeit auf – nicht nur innerhalb seiner Ebenen, sondern auch senkrecht über die Schichten hinweg. Das nennen wir einen metallischen out-of-plane Ladungstransport oder auch 3D Leitung. Das ist ein grundlegender Durchbruch in der Polymerforschung“, erklärt Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der TU Dresden. Gemeinsam mit seinem Team an der TU Dresden und dem Center for Advanced Systems Understanding „Casus“ in Görlitz hat er die Struktur des Polymers zunächst simuliert und den metallischen Charakter berechnet.

Xinliang Feng und sein Team am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der TU Dresden und am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle haben das neue Polymer synthetisiert und Untersuchungen zum Gleichstromtransport durchgeführt. Diese Messungen zeigen eine anisotrope Leitfähigkeit von 16 S/cm in der Ebene und 7 S/cm außerhalb der Ebene - etwa drei Größenordnungen höher als bei herkömmlichen linear leitenden Polymeren. Darüber hinaus zeigen Messungen bei niedrigen Temperaturen, dass die Leitfähigkeit außerhalb der Ebene mit sinkender Temperatur zunimmt - ein für Metalle charakteristisches Verhalten - was die außergewöhnlichen metallischen elektrischen Transporteigenschaften des Materials bestätigt.

Weitere Messungen wurden am „CIC nanoGUNE“ in San Sebastián, Spanien, mittels Infrarot- und Terahertz-Nahfeldmikroskopie durchgeführt. Diese Messungen ergaben eine Gleichstromleitfähigkeit von etwa 200 S/cm.

Dieser Durchbruch eröffnet die Möglichkeit, dreidimensionale metallische Leitfähigkeit in metallfreien organischen und polymeren Materialien zu erreichen. Dies eröffnet neue Perspektiven für Anwendungen in der Elektronik, der elektromagnetischen Abschirmung oder der Sensorik. Das metallische Polymer könnte als funktionelle Elektrode in der Elektro- und Photoelektrochemie eingesetzt werden, zum Beispiel bei der Herstellung von Wasserstoff.

Weitere Informationen: www.tu-dresden.de

Technische Universität Dresden, Dresden

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