Metallische Leitfähigkeit aus Kunststoff: neuer 2D-Polyanilin-Kristall setzt Maßstäbe in der organischen Elektronik

Ein internationales Forschungsteam hat einen zweidimensionalen Polyanilin-Kristall (2DPANI) entwickelt, der Strom ähnlich wie Metalle leitet – auch senkrecht zu seinen Schichten. Die neue Materialstruktur könnte die Entwicklung leistungsfähigerer organischer Elektronik und innovativer Anwendungen in der Energie- und Sensortechnik entscheidend vorantreiben.

Leitfähige Polymere wie Polyanilin sind seit Langem für ihre elektrischen Eigenschaften bekannt. Doch bisher war deren Leitfähigkeit auf die Ebene der Polymerketten beschränkt. Ein Forschungsteam der TU Dresden und des Max-Planck-Instituts für Mikrostrukturphysik Halle hat nun mit internationalen Partnern ein neues Material vorgestellt, das eine metallische Leitfähigkeit auch senkrecht zur Molekülebene zeigt – eine bahnbrechende Eigenschaft in der Welt der Kunststoffe.

Das sogenannte 2DPANI (zweidimensionales Polyanilin) basiert auf einer präzise angeordneten Kristallstruktur, die eine außergewöhnlich hohe Ladungsträgermobilität ermöglicht. Während herkömmliche leitfähige Polymere vor allem innerhalb ihrer Molekülketten Strom transportieren, erlaubt 2DPANI zusätzlich einen effektiven Ladungstransport zwischen den Schichten – ein Verhalten, das bisher nur von metallischen Materialien bekannt war.

Die Forschenden sprechen von einem "out-of-plane" Ladungstransport, der durch die besondere Struktur des Polymers möglich wird.

Die theoretische Grundlage für das neue Material lieferte ein Team um Prof. Thomas Heine von der TU Dresden. Mithilfe von Simulationen am Center for Advanced Systems Understanding (CASUS) in Görlitz konnte der metallische Charakter des Kristalls vorhergesagt werden.

Die Synthese des Polymers übernahmen Xinliang Feng und sein Team am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) sowie am Max-Planck-Institut. Die Materialanalyse ergab eine anisotrope Leitfähigkeit von 16 S/cm in der Ebene und 7 S/cm senkrecht zur Ebene – das entspricht einer Verbesserung um das Tausendfache gegenüber konventionellen Polymeren. Bei weiteren Messungen, unter anderem am CIC nanoGUNE in Spanien, wurde sogar eine Gleichstromleitfähigkeit von etwa 200 S/cm festgestellt.

Die Entdeckung hat großes Potenzial für Anwendungen in der organischen Elektronik, etwa in Sensoren, flexiblen Displays oder der elektromagnetischen Abschirmung. Besonders interessant ist auch die Möglichkeit, das Material als funktionelle Elektrode in elektro- und photoelektrochemischen Systemen einzusetzen – beispielsweise zur Wasserstoffproduktion.

Da das Material aus nichtmetallischen Komponenten besteht, eröffnet es neue Wege zu umweltfreundlicheren, leichteren und kostengünstigeren Elektroniklösungen.