Covalente organische raamwerken tonen een aanzienlijk potentieel voor efficiënt energietransport

Een interdisciplinair onderzoeksteam van LMU, de Technische Universiteit van München (TUM) en de Universiteit van Oxford heeft nieuwe spectroscopische technieken gebruikt om de diffusie van aangeslagen toestanden in covalente organische raamwerken (COF’s) te onderzoeken.

Deze modulaire materialen kunnen worden aangepast aan de gewenste eigenschappen door de gerichte selectie van hun componenten, waardoor een breed scala aan toepassingen wordt geboden. Het onderzoek onthulde hoe efficiënt energie kan worden getransporteerd in deze kristallijne, halfgeleidende materialen – een beslissende vooruitgang voor toekomstige opto-elektronische toepassingen zoals duurzame fotovoltaïsche systemen en organische lichtemitterende diodes (OLED’s).

In het hart van de studie, gepubliceerd in de Tijdschrift van de American Chemical Societyzijn COF-dunne films van zeer kristallijn, poreus materiaal. Door het gebruik van de modernste spatiotemporele technieken zoals fotoluminescentiemicroscopie en terahertz-spectroscopie in combinatie met theoretische simulaties onthulde het team opmerkelijk hoge diffusiecoëfficiënten en diffusielengtes van enkele honderden nanometers.

“Als zodanig overtreffen deze dunne films aanzienlijk de bekende energietransportmogelijkheden van vergelijkbare organische materialen”, zegt Laura Spies, promovendus bij de leerstoel Fysische Chemie en Functionele Nanomaterialen bij LMU en co-hoofdauteur.

“Het energietransport werkt uitzonderlijk goed, zelfs over structurele defecten zoals korrelgrenzen heen”, voegt dr. Alexander Biewald toe, voormalig promovendus in de groep Fysische Chemie en Nano-optica en tweede co-hoofdauteur van het onderzoek.

Nieuwe perspectieven voor de ontwikkeling van duurzame organische materialen

Temperatuuranalyses leverden verder inzicht op in de onderliggende mechanismen. “De resultaten geven aan dat er zowel coherente als onsamenhangende transportprocessen een rol spelen”, legt professor Frank Ortmann, co-auteur van het onderzoek, uit.

Er is sprake van coherentie wanneer de bewegingsgolven op een ordelijke manier plaatsvinden, ongestoord over lange afstanden, waardoor een snelle energieoverdracht met weinig verlies mogelijk is. Incoherente processen worden daarentegen gekenmerkt door ongeordende, willekeurige bewegingen, die thermische activering vereisen en vaak minder efficiënt zijn.

Deze inzichten dragen aanzienlijk bij aan ons begrip van energietransport in COF’s en laten zien hoe de moleculaire structuur en organisatie in het kristal deze processen kunnen beïnvloeden.

“Ons werk benadrukt hoe belangrijk de interdisciplinaire en internationale samenwerking van onderzoekers met expertise op het gebied van synthese, experimentele analyse en theoretische modellering – mogelijk gemaakt door e-conversie – is voor het succes van dergelijke onderzoeken”, zeggen de overeenkomstige auteurs van het onderzoek, professor Achim Hartschuh en professor Thomas Bein.

De resultaten openen nieuwe perspectieven voor de ontwikkeling van duurzame organische materialen in fotokatalyse en opto-elektronica, zoals fotovoltaïsche zonne-energie.