Durchbruch in der organischen Elektronik
Eine einfache Anpassung könnte die Effizienz von organischer Elektronik verdoppeln
Der Großteil unserer Alltagselektronik basiert auf anorganischen Halbleitern, wie beispielsweise Silizium. Entscheidend für ihre Funktion ist ein Prozess namens Dotierung, bei dem Verunreinigungen in den Halbleiter eingewoben werden, um seine elektrische Leitfähigkeit zu verbessern. So können verschiedene Komponenten in Solarzellen und LED-Bildschirmen funktionieren.
Beispiele für organische Elektronik: flexible Solarzellen (links, geliefert von Epishine AB), elektronisches Papier (Mitte) und piezoelektrische Textilien (rechts)
Johan Bodell/Chalmers University of Technology
Für organische - also kohlenstoffbasierte - Halbleiter ist dieser Dotierungsprozess ebenfalls von großer Bedeutung. Seit der Entdeckung elektrisch leitfähiger Kunststoffe und Polymere, einem Bereich, auf dem im Jahr 2000 ein Nobelpreis verliehen wurde, hat sich die Forschung und Entwicklung der organischen Elektronik rasant beschleunigt. Ein Beispiel sind OLED-Displays, die bereits auf dem Markt sind, zum Beispiel in der neuesten Generation von Smartphones. Andere Anwendungen sind noch nicht vollständig realisiert, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, dass organische Halbleiter bisher nicht effizient genug waren.
Die Dotierung in organischen Halbleitern erfolgt durch eine so genannte Redoxreaktion. Das bedeutet, dass ein Dotierstoffmolekül ein Elektron aus dem Halbleiter empfängt und damit die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters erhöht. Je mehr Dotierstoffmoleküle der Halbleiter aufnehmen kann, desto höher ist die Leitfähigkeit - zumindest bis zu einer bestimmten Grenze, danach sinkt die Leitfähigkeit. Die Effizienzgrenze von dotierten organischen Halbleitern wurde derzeit dadurch bestimmt, dass die Dotierstoffmoleküle nur jeweils ein Elektron austauschen konnten.
Doch jetzt zeigen Professor Christian Müller und seine Gruppe zusammen mit Kollegen von sieben weiteren Universitäten, dass es möglich ist, zwei Elektronen pro Dotierstoffmolekül zu bewegen.
"Durch diesen "doppelten Dotierungsprozess" kann der Halbleiter also doppelt so effektiv werden", sagt David Kiefer, Doktorand in der Gruppe und Erstautor des Artikels.
Laut Christian Müller ist diese Innovation nicht auf großen technischen Errungenschaften aufgebaut. Stattdessen geht es einfach darum, das zu sehen, was andere nicht gesehen haben.
"Das gesamte Forschungsfeld ist vollständig auf das Studium von Materialien ausgerichtet, die nur eine Redoxreaktion pro Molekül zulassen. Wir haben uns für eine andere Art von Polymer entschieden, mit geringerer Ionisationsenergie. Wir haben gesehen, dass dieses Material die Übertragung von zwei Elektronen auf das Dotierstoffmolekül ermöglicht. Es ist eigentlich sehr einfach", sagt Christian Müller, Professor für Polymerwissenschaften an der Chalmers University of Technology.
Die Entdeckung könnte weitere Verbesserungen an Technologien ermöglichen, die heute nicht wettbewerbsfähig genug sind, um auf den Markt zu kommen. Ein Problem ist, dass Polymere einfach nicht gut genug Strom leiten, und so ist es seit langem ein Schwerpunkt, die Dotierungstechniken effektiver zu gestalten, um eine bessere Elektronik auf Polymerbasis zu erreichen. Diese Verdoppelung der Leitfähigkeit von Polymeren bei gleichem Einsatz von Dotierstoff auf der gleichen Oberfläche wie bisher könnte nun den Kipppunkt darstellen, der erforderlich ist, um die Vermarktung mehrerer neuer Technologien zu ermöglichen.
"Bei OLED-Displays ist die Entwicklung so weit gediehen, dass sie bereits auf dem Markt sind. Aber damit andere Technologien erfolgreich sind und es schaffen, etwas mehr zu vermarkten, ist es notwendig. Bei organischen Solarzellen zum Beispiel oder elektronischen Schaltungen aus organischem Material benötigen wir die Fähigkeit, bestimmte Komponenten im gleichen Maße zu dotieren wie siliziumbasierte Elektronik. Unser Ansatz ist ein Schritt in die richtige Richtung", sagt Christian Müller.
Die Entdeckung bietet grundlegendes Wissen und könnte Tausenden von Forschern helfen, Fortschritte in der flexiblen Elektronik, Bioelektronik und Thermoelektrik zu erzielen. Die Forschungsgruppe von Christian Müller selbst forscht in verschiedenen Anwendungsbereichen, wobei die Polymertechnologie im Mittelpunkt steht. Seine Gruppe beschäftigt sich unter anderem mit der Entwicklung von elektrisch leitfähigen Textilien und organischen Solarzellen.
Originalveröffentlichung
David Kiefer, Renee Kroon, Anna I. Hofmann, Hengda Sun, Xianjie Liu, Alexander Giovannitti, Dominik Stegerer, Alexander Cano, Jonna Hynynen, Liyang Yu, Yadong Zhang, Dingqi Nai, Thomas F. Harrelson, Michael Sommer, Adam J. Moulé, Martijn Kemerink, Seth R. Marder, Iain McCulloch, Mats Fahlman, Simone Fabiano & Christian Müller; "Double doping of conjugated polymers with monomer molecular dopants"; Nature Materials; 2019
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