Neues Licht auf intensiv untersuchtem Material

21.01.2019 - Schweden

Das organische Polymer PEDOT ist wahrscheinlich eines der am intensivsten untersuchten Materialien der Welt. Dennoch haben Forscher der Universität Linköping nun gezeigt, dass das Material ganz anders funktioniert als bisher angenommen. Das Ergebnis hat in vielen Anwendungsbereichen eine große Bedeutung.

Mehr als 1.500 wissenschaftliche Artikel widmen sich jedes Jahr dem leitfähigen organischen Polymer PEDOT und machen es damit zu einem der wohl am intensivsten untersuchten Materialien der Welt. Dieses Polymer hat einzigartige Eigenschaften und eignet sich hervorragend für den Einsatz in Solarzellen, Elektroden, Leuchtdioden, Soft Displays, bioelektronischen Komponenten und vielen anderen Anwendungen. Die meisten Artikel sind jedoch experimenteller Natur, und nur ein winziger Bruchteil - weniger als einer von tausend - der Artikel liefert ein theoretisches Verständnis der verschiedenen Aspekte des Polymers. Das Gleiche gilt für die elektronische Struktur von PEDOT.

"Das Zeitalter der Trial-and-Error-Forschung sollte vorbei sein. Ich kann mir nicht vorstellen, wie es heute möglich wäre, ein neues Material zu entwickeln, ohne ein tiefes theoretisches Verständnis der zugrundeliegenden Prinzipien zu haben, die seine Eigenschaften bestimmen", sagt Igor Zozoulenko, Professor und Leiter der Theorie- und Modellierungsgruppe am Labor für Organische Elektronik der Linköping Universität, Campus Norrköping.

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Er ist auch der Hauptautor eines Artikels, der eine neue Theorie der elektronischen Struktur und der optischen Eigenschaften von PEDOT präsentiert, die einen großen Teil der entsprechenden früheren Forschung über PEDOT umstößt.

Das derzeit als das genaueste Berechnungsmodell zur Vorhersage der Materialeigenschaften gilt, wird als "DFT" bezeichnet, eine Abkürzung für "Dichtefunktionaltheorie". Das Verfahren berechnet quantenmechanische Elektronendichten auf die effizienteste Art und Weise und ist zu einem Standard in den verschiedenen Bereichen der Materialwissenschaft geworden. Für organische leitfähige Polymere werden jedoch noch immer Modelle verwendet, die in den 1980er Jahren - bevor das DFT seine breite Anwendung fand - entwickelt wurden. Die Arbeit der Forscher an der LiU hat gezeigt, dass diese Modelle eindeutig falsch sind.

"Viele der Analysen, die in wissenschaftlichen Artikeln über PEDOT vorgestellt wurden, müssen erneut besucht und überarbeitet werden", sagt Igor Zozoulenko.

Einer der Hauptunterschiede betrifft die optische Absorption oder (etwas vereinfacht) die Lichtemissionseigenschaften des Materials. Diese sind natürlich entscheidend für den Einsatz in Solarzellen, Soft Displays und anderen Anwendungen. Das optische Spektrum - die Farbe des Lichts - hängt von der elektronischen Struktur des Materials ab, darunter Eigenschaften wie die Energieniveaus, auf denen sich Elektronen im Inneren des Atoms befinden, die Spins, die sie besitzen, und die Art und Weise, wie sie sich im Material bewegen können. Da unser Verständnis unzureichend war, war die Interpretation der experimentellen Ergebnisse falsch.

PEDOT, oder Poly(3,4-ethylendioxythiophen), ist ebenfalls ein Material, das dotiert werden kann, um ihm seine bemerkenswerte Leitfähigkeit zu verleihen. Die Farbe ändert sich mit zunehmendem Grad der Dotierung, d.h. mit zunehmender Menge eines Dotierstoffs, um die Paarung zwischen den Elektronen in den Atomen zu unterbrechen. Bisherige Methoden waren ganz einfach nicht genau genug.

"Unser Beitrag präsentiert eine völlig andere Interpretation der optischen Spektren von PEDOT und eine völlig andere Interpretation des elektronenparametrischen Resonanzspektrums EPR. Unsere Ergebnisse lassen sich auch auf viele andere leitfähige Polymermaterialien übertragen", sagt Igor Zozoulenko.

Originalveröffentlichung

Igor Zozoulenko, Amritpal Singh, Sandeep Kumar Singh, Viktor Gueskine, Xavier Crispin, and Magnus Berggren; "Polarons, Bipolarons, And Absorption Spectroscopy of PEDOT"; ACS Applied Polymer Materials; 2019

https://www.chemie.de/news/158373/neues-licht-auf-intensiv-untersuchtem-material.html