Ein internationales Forschungsteam hat einen bahnbrechenden Fortschritt in der Polymerforschung erzielt. Erstmals wurde ein leitfähiger Polymer-Kristall mit dreidimensionaler elektrischer Leitfähigkeit entwickelt. Das Material basiert auf einer geordneten Struktur von Polyanilin (2DPANI) und wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle sowie internationalen Partnern synthetisiert.
Mit diesem innovativen Material gelingt es, die elektrischen Eigenschaften leitfähiger Polymere auf ein neues Niveau zu heben. Die Entdeckung ermöglicht nicht nur effizientere elektronische Bauelemente, sondern ebnet auch den Weg für Anwendungen in der Sensorik, der elektromagnetischen Abschirmung oder der Wasserstoffproduktion. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.
Leitfähige Polymere: Leicht, flexibel und Nobelpreis-gekrönt
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 bahnbrechende 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.
Zweidimensionales Polyanilin mit 3D-Leitfähigkeit
Um dieses Problem zu lösen, hat ein Forschungsteam der TUD 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 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 Dresden (cfaed) der TUD und am Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle synthetisierten das neue Polymer und führten Gleichstromtransportstudien durch. Diese Messungen zeigen 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. Darüber hinaus zeigen Messungen bei niedrigen Temperaturen, dass die Leitfähigkeit außerhalb der Ebene mit abnehmender Temperatur zunimmt – ein charakteristisches Verhalten von Metallen – was die außergewöhnlichen metallischen elektrischen out-of-plane Transporteigenschaften des Materials bestätigt.
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.
Neue Perspektiven für organische Elektronik und Sensorik
Dieser Durchbruch eröffnet die Möglichkeit, dreidimensionale metallische Leitfähigkeit in metallfreien organischen und polymeren Materialien zu erreichen. Damit bieten sich aufregende 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 dienen, zum Beispiel zur Produktion von Wasserstoff.
Originalpublikation: Tao Zhang, Shu Chen, [..], Thomas Heine, Renhao Dong, Rainer Hillenbrand & Xinliang Feng. Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-024-08387-9
