Effizienter Energietransport durch kovalente organische Gerüstmaterialien

Ein interdisziplinäres Forschungsteam der der Uni und der TU München, sowie der Uni Oxford hat mit neuartigen spektroskopischen Techniken die Diffusion angeregter Zustände in kovalenten organischen Gerüstmaterialien – kurz COFs – untersucht. Diese modular aufgebauten Materialien lassen sich durch die gezielte Auswahl ihrer Bausteine individuell an gewünschte Eigenschaften anpassen und bieten dadurch ein breites Anwendungsspektrum. Die Ergebnisse der Studie zeigen erstmals, wie effizient Energie in diesen kristallinen, halbleitenden Materialien transportiert werden kann – ein entscheidender Fortschritt für zukünftige optoelektronische Anwendungen, wie nachhaltige Photovoltaiksysteme oder organische Leuchtdioden.

Im Zentrum der Studie stehen COF-Dünnfilme aus hochkristallinem, porösem Material. Durch den Einsatz moderner zeit- und ortsaufgelöster Techniken wie der Photolumineszenz-Mikroskopie und Terahertz-Spektroskopie in Kombination mit theoretischen Simulationen gelang es dem Team, außergewöhnlich hohe Diffusionskoeffizienten und Diffusionslängen von mehreren Hundert Nanometern nachzuweisen.

„Damit übertreffen diese Dünnfilme die bekannten Energietransportfähigkeiten ähnlicher organischer Materialien um ein Vielfaches“, betont Laura Spies von der Uni München. „Wir sehen, dass der Energietransport selbst über strukturelle Defekte wie Korngrenzen hinweg hervorragend funktioniert“, ergänzt ihr Kollege Alexander Biewald.

Temperaturanalysen lieferten weitere Einblicke in die zugrundeliegenden Mechanismen. „Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl kohärente als auch inkohärente Transportprozesse vorliegen“, erklärt Frank Ortmann von der TU München. Von Kohärenz spricht man, wenn die Wellen der Bewegung geordnet und über lange Strecken ungestört verlaufen, was eine schnelle und verlustarme Energieübertragung ermöglicht. Inkohärente Prozesse hingegen sind durch ungeordnete und zufällige Bewegungen geprägt, die eine thermische Aktivierung erfordern und oft weniger effizient sind.

Diese Erkenntnisse tragen wesentlich zum Verständnis des Energietransports in COFs bei und zeigen, wie molekulare Struktur und Ordnung im Kristall diese Prozesse beeinflussen können. Die Ergebnisse der Studie eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung nachhaltiger organischer Materialien in der Photokatalyse und Optoelektronik wie etwa der Photovoltaik.

LMU / RK