Chemiker bei RIKEN haben eine Methode zur Herstellung synthetischer Derivate des natürlichen Farbstoffs Indigo entwickelt, die keine harten Bedingungen erfordert. Diese Entdeckung könnte Fortschritte bei elektronischen Geräten anstoßen, darunter lichtempfindliche Geräte und dehnbare biomedizinische Sensoren.
Halbleiter auf Basis organischer Moleküle stoßen auf großes Interesse, da sie – im Gegensatz zu herkömmlichen starren Halbleitern auf Siliziumbasis – flexibel, duktil und leicht sein könnten, was neue Möglichkeiten für die Gestaltung von Halbleiterbauelementen eröffnet.
Organische Moleküle haben zudem den Vorteil, dass sie ein breites Spektrum an Strukturen realisieren können. „Organische Halbleiter verfügen über Flexibilität im molekularen Design, wodurch sie neue Funktionalitäten übernehmen können“, sagt Keisuke Tajima vom RIKEN Center for Emergent Matter Science, der die Forschung leitete veröffentlicht In Chemische Wissenschaft.
Um dieses Potenzial für eine verbesserte elektronische Funktion durch molekulares Design zu erkunden, untersuchten Tajima und sein Team ein mit Indigo verwandtes Molekül namens 3,3-Dihydroxy-2,2-biindan-1,1-dion (BIT). „Dieses Projekt begann mit einer einfachen Frage: Können sich Protonen und Elektronen im Festkörper gemeinsam bewegen?“ sagt Tajima.
Der protonengekoppelte Elektronentransfer – bei dem die Bewegung der Elektronen mit der der Protonen verknüpft ist – wird oft als entscheidend für die Verwirklichung eines effizienten Elektronentransfers in biologischen Systemen angesehen. Wenn es in organische Festkörpermaterialien eingebaut werden kann, könnte es zu Halbleitern mit einzigartigen dynamischen Eigenschaften führen. Bisher wurde jedoch kein Festkörpermaterial nachgewiesen, das einen protonengekoppelten Elektronentransfer zeigt.
Tajima und sein Team haben nun herausgefunden, dass BIT und seine Derivate ungewöhnliche Umlagerungen in ihren Strukturen durchlaufen, die einen doppelten Protonentransfer beinhalten, was ihnen einzigartige Fähigkeiten als elektronische Funktionsmaterialien verleihen könnte.
Tajima identifizierte BIT und seine Derivate als vielversprechende Materialien für den protonengekoppelten Elektronentransfer im Festkörper, da das Molekül zwei Protonen enthält, die ideal positioniert zu sein scheinen, um während des Elektronentransfers von einer Position zur anderen zu springen.
Bisher waren für die Herstellung von BIT strenge Bedingungen erforderlich, die die Palette der möglichen Derivate stark einschränkten. Mitglieder des Teams entwickelten einen Raumtemperaturansatz, der die Synthese mehrerer BIT-Derivate unter viel milderen Bedingungen ermöglichte.
Mithilfe der BIT-Derivate untersuchte das Team die Eigenschaften der Moleküle. „Der schwierigste Teil bestand darin, nachzuweisen, dass die Protonen in BIT einen Protonentransfer zwischen Molekülen im Festkörper durchlaufen“, sagt Tajima. In Zusammenarbeit mit RIKEN-Experten für Röntgenkristallographie und Festkörper-Kernspinresonanz (NMR) konnte das Team nachweisen, dass die beiden Protonen ihre Positionen schnell austauschen.
Berechnungen legen nahe, dass der Protonentransfer tatsächlich mit dem Ladungstransport gekoppelt ist; Das nächste Ziel des Teams besteht darin, diese Kopplung experimentell zu bestätigen. „Wir wissen nicht, ob die Anwesenheit eines Protons den Ladungstransport verbessert, aber als fundamentale Physik könnte es interessante Möglichkeiten eröffnen“, sagt Tajima.
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Kyohei Nakano et al., Synthese von 3,3′-Dihydroxy-2,2′-diindan-1,1′-dion-Derivaten für tautomere organische Halbleiter mit intramolekularem doppeltem Protonentransfer, Chemische Wissenschaft (2023). DOI: 10.1039/D3SC04125E