Ohne Zusatz: Reine Polymerlösung für gedruckte Elektronik
Die Energieniveaus der beiden Materialien passen perfekt zusammen, so dass Ladungen spontan von einem Polymer auf das andere übertragen werden, wie Kai Xu und Simone Fabiano von der Universität Linköping zeigen. Bild: Thor Balkhed
Sie haben die Welt verändert – elektrisch leitfähige Polymere. Schon die Attribution „elektrisch leitfähig“ wäre vor einigen Jahrzehnten noch als irreführend empfunden worden. Ihre Entwicklung in den 1970er war wissenschaftlich so bedeutsam, dass sie im Jahr 2000 mit dem Chemie-Nobelpreis ausgezeichnet wurde. Heute gibt es wieder Neues zu berichten; nichts derart Preiswürdiges, wohl aber technologisch höchst Interessantes: Wissenschaftlern ist es gelungen, voll funktionsfähige elektrisch leitende Polymere herzustellen, und zwar ohne Dotierung, sprich ohne Hinzufügen von Fremdatomen. Ein richtungsweisender Punkt in puncto Herstellung „gedruckter Elektronik“.
Noch in den 1980er-Jahren wurde in der Schule gelehrt, die meisten Kunststoffe seien wie Glas, Porzellan oder Gummi ideale Nichtleiter beziehungsweise Isolatoren für Strom (und Wärme). Dass Kunststoffe wie Kupferkabel den elektrischen Strom leiten können, wären vermutlich nur ganz wenigen Menschen damals ernsthaft in den Sinn gekommen. Der breiten Masse bekannt wurde das technologische Phänomen erst, nachdem die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaft im Jahr 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid und Hideki Shirakawa den Nobelpreis für Chemie „für die Entdeckung und Entwicklung von leitenden Polymeren” ausgezeichnet hatte [1].
„Damit ein Polymer elektrischen Strom leiten kann, muss es abwechselnd Einfach- und Doppelbindungen zwischen den Kohlenstoffatomen aufweisen“, erläuterte das Nobelpreis-Komitee die Herausforderung der an US-amerikanischen Universitäten tätigen Naturwissenschaftler. Dabei hob es einen Sachverhalt hervor, nämlich „es muss auch dotiert werden, das heißt, Elektronen müssen (aus dem Polymer) entfernt (durch Oxydation) oder zusätzliche Elektronen hinzufügt (durch Reduktion) werden. Diese Löcher und zusätzliche Elektronen könnten sich entlang der Polymerkette bewegen – sie wird elektrisch leitend.“ [1]
Die Dotierung, von der hier die Rede ist und die lange Zeit zwingend war, um einen leitenden Effekt im Kunststoff zu erzeugen, ist neuesten Meldung zufolge nicht mehr erforderlich.
Eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Simone Fabiano vom Labor für organische Elektronik der Universität Linköping (Schweden) hat ein organisches Material mit einer nach eigenen Angaben hervorragenden Leitfähigkeit geschaffen, das nicht dotiert zu werden braucht. Die gewünscht Stromleitfähigkeit wird erreicht einzig allein dadurch, dass zwei Polymere mit unterschiedlichen Eigenschaften gemischt werden. Über die Details ihrer Arbeit und mögliche Konsequenzen ihrer Entwicklung berichten die Forscher im angesehenen Fachmagazin Nature Materials [2].
Die blaue Polymerlösung gibt Ladung ab, die rote nimmt sie auf. Jede für sich ist nicht leitfähig, sie enthalten keine frei beweglichen Ladungsträger. Treffen sie aber aufeinander, kommt der Elektronenfluss in Gang, freie bewegliche Ladungen bleiben auf beiden Polymeren. Bild: Thor Balkhed
Der Einsatz elektrische leitfähige Polymere hat zu technologischen Innovationssprüngen geführt, nicht zuletzt aufgrund der großen Variationsbreite der Materialeigenschaften, die sich gezielt einstellen lässt, des geringen Gewichts und nicht zuletzt auch der großen Flexibilität des Werkstoffs selbst. Solarzellen lassen sich in Folienform bringen und auf Oberflächen auftragen; hauchdünne Sensoren überwachen auf die Haut geklebt Körperfunktionen, die Beleuchtungstechnik profitiert von elektrisch leitfähigen Polymeren, ebenso die Entwicklung mobiler Endgeräte, die immer kleiner, leichter und hochleistungsfähiger werden.
Um die Effizienz organischer Solarzellen, von Leuchtdioden und anderen elektronischen Anwendungen zu erhöhen, wurden elektrisch leitfähige Polymere mit verschiedenen Substanzen dotiert, um die Elektronenbilanz im Material zu beeinflussen und einen Stromfluss überhaupt erst möglich zu machen. Anders als in Metallen, dort liegen die am Stromfluss beteiligten Elektronen in der für Metalle typischen Kristallgitterstruktur freibeweglich vor. In einem Halbleitermaterial muss diese Beweglichkeit durch eine Ladungsüberschuss mittels eine Fremdatoms hineingegeben werden. Der hierbei hervorgerufen Zustand ist allerdings nicht von Dauer:
„Üblicherweise dotieren wir organische Polymere, um ihre Leitfähigkeit und die Geräteleistung zu verbessern. Der Prozess ist für eine Weile stabil, aber das Material degeneriert und die Substanzen, die wir hinzugefügt haben, können auslaugen. Das gilt es zu vermeiden, etwa in bioelektronischen Anwendungen, bei denen die organischen elektronischen Komponenten Vorteile in der tragbaren Elektronik und als Implantate im Körper bringen können", sagt Simone Fabiano, Leiter der Gruppe Organische Nanoelektronik im Labor für Organische Elektronik der Universität Linköping.
Den beteiligten Wissenschaftlern aus fünf Ländern ist es nun gelungen, zwei Polymere so zu kombinieren und daraus eine elektrisch leitende Tinte herzustellen war. Die Energieniveaus beider Materialien passten perfekt zusammen, so dass Ladungen spontan von einem Polymer auf das andere übertragen werden. Das Phänomen der spontanen Ladungsübertragung sei bereits an anderer Stelle beobachtet worden, aber nur für einzelne Kristalle und das auch nur im Labormaßstab. Die Übertragung in den industriellen Maßstab fehle noch.
„Da Polymere aus großen und stabilen Molekülen bestehen, die sich leicht aus der Lösung ablagern lassen, erweisen sie sich als gut geeignet für den großflächigen Einsatz als Tinte in der gedruckten Elektronik", beschreibt Simone Fabiano ein Triebfeder ihrer Forschung. Die von ihnen verwendeten Polymere seien einfache, relativ preisgünstige und kommerziell leicht und weitverbreitet verfügbare Materialien. Da aus dem neuen Polymergemisch keine Fremdstoffe auslaugen, bleibe es lange stabil, auch unter Einfluss hoher Temperaturen. Diese Eigenschaften seien wichtig, wenn es um den Einsatz in Energiegewinnungs- und Speichergeräten sowie in tragbarer Elektronik gehe.
Ihre elektrisch leitfähigen Polymere enthielten keine gesundheitsbedenklichen Zusätze, seien daher nicht nur langzeitstabil, sondern auch belastbar und tauglich für anspruchsvolle Anwendungen. Ihre Entwicklung eröffne geradezu völlig neue Möglichkeiten, um die Leistung von Leuchtdioden und Solarzellen zu verbessern. Dies gelte auch für andere thermoelektrische Anwendungen und nicht zuletzt für Entwicklung tragbare und körpernah getragener Elektronik, sagt Simone Fabiano. (GDeussing)
Referenzen
[2] Xu et al., Ground-state electron transfer in all-polymer donor–acceptor heterojunctions, Nature Materials (2020), http://dx. doi. org/10. 1038/s41563-020-0618-7