von Wichard J. D. Beenken

Konjugierte Polymere sind organische Macromoleküle, die aus mindestens einer Kette von alternierenden Doppel- und Einfachbindungen bestehen. Da die π-orbitale, aus denen die Doppelbindungen gebildet werden, mesomerisieren, bekommen Einfach- und Doppelbindungen ähnlichen Charakter, d.h. die p_z-Orbitale des Kohlenstoffs überlappen auch über die Einfachbindungen. Daher können π-Elektronen in konjugierten Polymeren leicht von einem Ende der Kette zum anderen verschoben werden. Allerdings macht die verbleibende Alternierung (u. U. durch Peierls-Instabilität) konjugierte Polymere nur zu eindimensionalen Halbleiter. Wie anorganische Halbleiter, können diese dotiert werden, was ihre Leitfähigkeit erheblich steigert. Für die Entdeckung und Weiterentwicklung leitender Polymereerhielten im Jahre 2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid, und Hideki Shirakawa den Nobelpreis in Chemie. Das einfachste konjugierte Polymer ist Polyacetylen, welches nur aus einer einfachen Kette alternietender Doppel- und Einfachbindungen besteht.

Im Prinzip lassen sich alle elektronischen Bauelemente, für die üblicherweise anorganischen Halbleitern verwendet werden, wie Dioden und Transistoren, auch aus konjugierten Polymeren herstellen. Im letzten Jahrzehnt ist die Entwicklung von lichtemittierenden Bauelemente aus Polymeren wie Polyphenylvinylen (PPV), Polyfluoren (PF) und Polythiophen (PT) bis hin zur komerziellen Anwendung fortgeschritten. Für Photovoltaische Anwendungen sind Blends aus Polythiophenen und Fullerenen (C₆₀) bzw. deren Derivaten sehr vielversprechende Materialien.

Polythiophene beinhalten wie Polyacetylene eine alternierende Kette aus Einfach- und Doppelbindungen. Jedoch sind hier je vier Kohlenstoffatome in einem Thiophenring dadurch zusammengefasst, dass das jeweils erste und das vierte Kohlenstoffatom an ein Schwefelatom gebunden sind. Aufgrund der sich daraus ergebenden mechanischen Spannung im Ring folgt, dass die Bindung zwischen dem jeweils zweiten und dritten Kohlenstoffatom im wesentlichen den Charakter einer Einfachbindung hat, wodurch die übrigen Kohlenstoffbindungen im Ring Doppelbindungen sind. Gemäß der Alternierung ist dann die Bindung zwischen den Ringen wiederum einfach. Die somit geringere Mesomerie führt zu einer Bandlücke, deren Energie gegenüber Polyacetylen deutlich in den blauen bis ultravioletten Spektralbereich verschoben ist. Zwar haben die Schwefelatome neben ihrer Struktur definierenden Funktion auch einen gewissen Einfluss auf die elektronischen und optischen Eigenschaften von Polythiophen, hauptsächlich hängen diese aber von der Konjugation der Kohlenstoffatome ab.

Dass es nicht die einzelnen Thiophenringe sind, die die spektroskopischen Eigenschaften des Polythiophen bestimmen, kann man allein schon daraus ersehen, dass bereits die Kopplung zweier solcher Ringe zum 2,2'-Bithiophen in einen Ãœbergangsdipol resultiert, der senkrecht zu dem des (Mono)Thiophens steht. Daher ist die Frage, was die für Absorption und Emission verantwortlichen spektroskopischen Einheiten sind, von größtem Interesse.

Als Material zu meinem populärwissenschaftlichen Vortrag "Light from Plastic" können sie mittels nachfolgendem Link eine Microsoft PowerPoint 2003 ™ Präsentation herunterzuladen, in der u.a. die Funktionsweise einer organischen Leuchtdiode demonstriert wird. Naturgemäß fehlen die mündlichen Erläuterungen und der Text ist Englisch. Ich denke aber trotzdem, dass Sie insbesondere an den Animationen Freude haben werden. Bitte benutzen sie die 'Bild' Tasten um durch die Presentation zu kommen. Sollten die Animationen nicht korrekt wiedergegeben werden, so liegt das möglicherweise daran, dass Ihr Browser ein nicht kompatibles PowerPoint Plugin verwendet.