Ein interdisziplinäres Forschungsteam der LMU, der Technischen Universität München und der Universität Oxford hat mit neuartigen spektroskopischen Techniken die Diffusion angeregter Zustände in sogenannten kovalenten organischen Gerüstmaterialien (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 (OLED).

Im Zentrum der in der renommierten Fachzeitschrift Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Studie stehen COF-Dünnfilme aus hochkristallinem, porösem Material. Durch den Einsatz modernster 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, Doktorandin am Lehrstuhl für Physikalische Chemie und funktionale Nanomaterialien an der LMU und Ko-Erstautorin. „Wir sehen, dass der Energietransport selbst über strukturelle Defekte wie Korngrenzen hinweg hervorragend funktioniert“, ergänzt Dr. Alexander Biewald, ehemaliger Doktorand im Arbeitskreis Physikalische Chemie und Nanooptik, der zweite Ko-Erstautor der Studie.

Neue Perspektiven für die Entwicklung nachhaltiger organischer Materialien

Temperaturanalysen lieferten weitere Einblicke in die zugrundeliegenden Mechanismen. „Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass sowohl kohärente als auch inkohärente Transportprozesse vorliegen“, erklärt Professor Frank Ortmann, Mitautor der Studie. 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.

„Unsere Arbeit verdeutlicht, wie essenziell die durch den Exzellenzcluster e-conversion ermöglichte interdisziplinäre und internationale Zusammenarbeit von Forscherinnen und Forschern mit Expertise in der Synthese, der experimentellen Analyse und der theoretischen Modellierung für den Erfolg solcher Studien ist“, sind sich die korrespondierenden Autoren der Studie, Professor Achim Hartschuh (LMU) und Professor Thomas Bein (LMU) einig. Die Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die Entwicklung nachhaltiger organischer Materialien in der Photokatalyse und Optoelektronik wie z.B. Photovoltaik.

Publikation

L. Spies et al.: Spatiotemporal Spectroscopy of Fast Excited-State Diffusion in 2D Covalent Organic Framework Thin Films, Journal of the American Chemical Society (JACS) 2025.

Weitere Links und Informationen

e-conversion Cluster of Excellence

Professur für Theoretical Methods in Spectroscopy

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Originalartikel: https://www.lmu.de/de/newsroom/newsuebersicht/news/effizienter-energietransport-durch-kovalente-organische-geruestmaterialien.html