Neuer Polymerkristall leitet Strom wie ein Metall

Durchbruch in der Polymerforschung: Eine geordnete Form von Polyanilin weist eine außergewöhnliche elektrische Leitfähigkeit und ein metallisches Ladungstransportverhalten auf.

Ein internationales Forschungsteam mit deutscher Beteiligung hat einen mehrschichtigen zweidimensionalen Polyanilin-Kristall (2DPANI) synthetisiert und charakterisiert. Was das Besondere daran ist, erklärt Thomas Heine, Professor für Theoretische Chemie an der Technischen Universität Dresden (TUD): "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."

Gemeinsam mit seinem Team an der TUD 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 der TUD sowie das Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle synthetisierten das neue Polymer und führten Gleichstromtransportstudien durch. Die Messungen zeigten eine anisotrope Leitfähigkeit mit 16 S/cm in der Ebene und 7 S/cm außerhalb der Ebene, etwa drei Größenordnungen höher als bei herkömmlichen linear leitenden Polymeren.

Gleichstromleitfähigkeit von etwa 200 S/cm

Zudem zeigen Messungen bei niedrigen Temperaturen, dass die Leitfähigkeit außerhalb der Ebene mit abnehmender Temperatur zunimmt – ein charakteristisches Verhalten von Metallen. Das bestätigt laut der TUD die "außergewöhnlichen metallischen elektrischen out-of-plane Transporteigenschaften des Materials". Weitere Messungen wurden am CIC nanoGUNE in San Sebastián, Spanien mittels Infrarot- und Terahertz-Nahfeldmikroskopie durchgeführt. Diese ergaben eine Gleichstromleitfähigkeit von etwa 200 S/cm.

Der Durchbruch, so die TUD, eröffne die Möglichkeit, "dreidimensionale metallische Leitfähigkeit in metallfreien organischen und polymeren Materialien zu erreichen". Damit böten sich "Perspektiven für Anwendungen in der Elektronik, der elektromagnetischen Abschirmung oder der Sensorik". Das metallische Polymer könnte etwa als funktionelle Elektrode in der Elektro- und Photoelektrochemie dienen, zum Beispiel zur Produktion von Wasserstoff.

Vor 25 Jahren: Nobelpries für Entwicklung leitfähiger Polymere

Leitende 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 Entdeckung und Entwicklung leitfähiger Polymere unterstrichen.

Trotz bedeutender 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 und die elektronischen Wechselwirkungen schwach sind.