Claus Hamann

Substanzherstellung und -charakterisierung

Von den vier Millionen bekannten chemischen Verbin-dungen sind 96% organische Verbindungen [3.1]. Nahme man aller zwei Sekunden eine Substanz zur Kenntnis, hatte man nach etwa einem Arbeitsjahr diesen Fundus durchmustert. Die strukturellen Voraussetzungen fur elektronische Leitung sind allerdings nur bei einem geringen Prozentsatz aller organischen Verbindungen gegeben. Nach einer Anfangsperiode, in der zufallig oder durch einfaches Probieren gefundene organische Elektronenleiter untersucht wurden, konnten bald allgemeinere Kriterien und Strukturmerkmale fur Stoffklassen formuliert werden, in denen mit erhohter Wahrscheinlichkeit elektronische Leitfahigkeit auftritt. Grundlegende Voraussetzungen dafur beim Einzelmolekul sind z. B. das Vorhandensein der nicht streng an ein Atom gebundenen π -Elektronen in Form der Polyen-, Polymethin- oder aromatischen Ringstruktur [3.2] sowie eine planare Molekulgeometrie. Fur Ladungsubertragungskomplexe bzw.

Wege zum organischen Supraleiter

Supraleitende Werkstoffe als Grundlage entscheidender Weiterentwicklungsmoglichkeiten der Erzeugung, Fort-leitung, Speicherung und Anwendung elektrischer Energie, aber auch fur kunftige Datenverarbeitungsanlagen mit Zeiten fur die Einzeloperation im Nanosekundenbereich werden international intensiv bearbeitet [10.1]. Entwicklungsziel sind Substanzen hoher Sprungtemperatur T k, um das zur Zeit fur die Erzeugung des supraleitenden Zustandes erforderliche kostenaufwendige Arbeiten bei Temperaturen des flussigen Heliums (4,2 K) moglichst durch den Betrieb supraleitender Anordnungen unter Verwendung des viel billigeren flussigen Stickstoffs (77 K) oder sogar bei Zimmertemperatur ersetzen zu konnen. Gleichzeitig geht es um Substanzen hoher kritischer Feldstarke als Mas fur die Strombelastbarkeit in Anwendungsbereichen der Energietechnik. Die hochsten bisher erreichten Sprungtemperaturen unter den mehr als 2000 bekannten supraleitenden Metallen, Legierungen und Verbindungen weisen Substanzen mit β-Wolfram- Struktur (A15-Typ), z. B. Nb3Sn, auf, die ein T k von 23···25 K erreichen. Dieser Wert konnte trotz angestrengter Bemuhungen in den letzten zehn Jahren nicht weiter verbessert werden.

Organische halbleitende Polymere

Fur die Technik ist es nach wie vor verlockend, die okonomisch gunstigen Produktionsverfahren von Folien, Fasern und textilen Flachengebilden auf Polymerbasis in Verbindung von hoher Flexibilitat, chemischer Bestandigkeit, leichter Bearbeitungsmoglichkeit usw. mit bestimmten elektrischen Eigenschaften kombiniert zu nutzen. Zielfunktion und Vorbild war dabei immer der Graphit (Abb. 6–1). Geht man allein von den Bindungsverhaltnissen aus, dann ist Graphit ein Molekulkristall mit einem starken kovalenten Bindungsanteil in zwei Dimensionen.

Züchtung von Einkristallen; Probenpräparation

Einkristalle moglichst hoher stofflicher und struktureller Perfektion bilden die unumgangliche Voraussetzung jeder festkorperphysikalischen Untersuchung, die uber das Stadium einer ersten Orientierung hinausgelangen soll. Falls es sich nicht um Hochpolymere handelt, die hier nicht diskutiert werden sollen, bilden elektronenleitende organische Substanzen in den meisten Fallen Molekulgitter, die dem monoklinen oder triklinen Kristallsystem angehoren. Damit entfallen die in hohersymmetrischen Gittern und besonders auch bei Metallen vorherrschenden vereinfachenden Symmetrieeigenschaften. Zusammen mit der ausgeprochenen Anisotropie vieler physikalischer Grosen erfordert die Bestimmung der jeweiligen Tensorkomponenten deshalb grundsatzlich die Messung mehrerer, verschieden orientierter Proben, idealerweise vom gleichen Kristall. Durch die mit der Forderung nach elektrischer Leitfahigkeit eng gekoppelte Planaritat der Molekule ist jedoch das Uberwiegen eines nadeiformigen Habitus bedingt, so das unter Umstanden die Ausnutzung aller Moglichkeiten der Habitus- und Trachtbeeinflussung erforderlich wird, um die notwendige Anzahl von kristallographisch unterschiedlich orientierten Mesproben zu erhalten.

Technisch-wissenschaftliche Bedeutung organischer Elektronenleiter

Die Untersuchung elektronenleitender organischer Festkorper wurde in den letzten Jahren erneut nach Breite und Tempo stark intensiviert und gehort zu den dynamischsten Gebieten der modernen Festkorperphysik. Die Ursachen dafur liegen trotz der breiten Anwendung organischer Photoleiter in der Elektrophotographie nur zum kleinen Teil bei den bisher erreichten technisch-okonomischen Erfolgen. Unzutreffend ist naturlich auch die fruher ofter einmal vorgenommene Einordnung als einer wissenschaftlichen Modestromung oder als eines Ausdrucks individuellen oder kollektiven Hangs zum Exotischen. Man wird vielmehr den zu beobachtenden faszinierenden Fortschritten und der oft hektischen Aktivitat der Bearbeitung wohl nur dann gerecht, wenn vier einzelne Komplexe von Grunden und Erwartungen beachtet werden, die das aufgewandte Ausmas an materiellen, personellen und geistigen Investitionen zusammen erst verstandlich machen. Der erste dieser Komplexe ist die Uberzeugung, das einer Reihe von in naherer oder fernerer Zukunft zu losenden Problemen mit Aussicht auf Erfolg moglicherweise durch organische Halbleiter, Photoleiter, Leiter und Supraleiter ent-sprochen werden kann.

Organische halbleitende Molekülkristalle

Die Einteilung halbleitender organischer Molekulkristalle ist nicht ganz willkurfrei. Wir wollen so vorgehen, das wir die wichtigsten Stoffklassen erfassen konnen. Dann bietet sich folgendes Schema an: polyzyklische Aromaten und ihre Derivate, Halogen- und Alkalimetallkomplexe, Ladungsubertragungskomplexe zwischen zwei organischen Molekulen, heterozyklische Verbindungen, metallorganische Verbindungen.

Bionik elektronischer Prozesse

Bionisches Denken [12.1] geht von der Erfahrung aus, das sich biologische Strukturen und Prozesse von der molekularen Ebene uber Organe bis hin zu Organismen und Populationen als auserordentlich hoch optimiert erweisen. Es bezweckt, durch systemtheoretische Vergleiche, die auf tiefgrundigen morphologischen, chemischen, physikalischen und funktionellen Analysen aufbauen, Gutekriterien (Wirkungsgrad, Packungsdichte, Leistungsgewicht, Zuverlassigkeit) und Problemlosungen (Morphologie und Struktur, Materialokonomie, Art des Prozesablaufes) zu gewinnen, die moglichst uber eine denkanregend-heuristische Funktion hinaus auch in Gestalt neuartiger technischer Strukturen und Prozesse zum Fortschritt der Technik beitragen [12.2]. Aus den Bereichen Statik der Baukonstruktionen, Orientierung und Peilung in verschiedenen Medien, Hydro- und Aerodynamik bewegter Objekte und neurale Informationsverarbeitung sind Beispiele allgemein bekannt. Trotz der bisherigen Bemuhungen und erzielter imponierender Erfolge steht die Bionik noch am Anfang ihrer Entwicklung.