Defekt-Engineering

Es ist bekannt, dass Materialfehler einen negativen Einfluss auf die Leistung von Bauteilen haben. Die Reduzierung der Anzahl solcher Defekte bzw. ihre komplette Entfernung ist häufig eine Herausforderung sowohl bei traditionellen anorganischen als auch bei organischen Halbleitern. Tatsächlich wurde beobachtet, dass die supramolekulare Ordnung für die Leitung in organischen Halbleitern, die beispielsweise in Feldeffekttransistoren verwendet werden, von Vorteil ist, während die lokale molekulare Orientierung und das Fehlen klar definierter Grenzflächen die Effizienz von photovoltaischen Bauelementen beeinflussen.

Um im Bereich der organischen Halbleiter Fortschritte zu erzielen, müssen also Defekte gezielt plaziert werden können, oder alternativ muss die Struktur um den Defekt herum konstruiert werden, um dessen nachteilige Auswirkungen auf die Geräteleistung zu reduzieren. Polymere können auch mikroskopische Defekte unter dem Einfluss von Umweltbelastungen aufweisen. Diese Defekte können sich zu makroskopischen Hohlräumen (Rissen) entwickeln, die die mechanischen Eigenschaften stark beeinträchtigen. Die Heilung dieser Defekte wird durch eine mobile Phase ermöglicht, die die Risse füllt und dann erstarrt, eine Reparatur, die entweder autonom oder unter äußeren Einflüssen wie Licht erfolgt.

In einigen Fällen ist es jedoch sinnvoll, bewusst Defekte in Strukturen einzubringen. Eine mögliche Strategie ist es, aus der Not eine Tugend zu machen: Wenn die Perfektion von Kunststoffen unmöglich ist, kann gezielt "Defekt-Engineering" eingesetzt werden, um sonst nicht mögliche Materialeigenschaften zu erreichen. So ist es beispielsweise durch die Einführung von Defekten während der Synthese möglich, eine hohe Ladungsträgermobilität von Graphen-Nanobändern für den Einsatz in Transistoren zu nutzen und die mechanischen und katalytischen Eigenschaften von Graphen zu beeinflussen. Ein weiteres Beispiel für "gute" Defekte sind die Stickstoff-Leerstellenzentren (Punktdefekte in der Gitterstruktur) in Nano-Diamanten, die für Anwendungen in der Biomedizin genutzt werden können. Nanodiamanten sind auch für den Einzelmolekülnachweis mit atomarer Auflösung unter Umgebungsbedingungen sehr vielversprechend.

Die zukünftige Herausforderung für das Defekt-Engineering besteht darin, verbesserte synthetische Protokolle und Bausteine zu erforschen, um definierte Materialien mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit herzustellen und gleichzeitig empfindlichere Methoden zum Erkennen, Charakterisieren und theoretischen Verständnis von Strukturabweichungen zu entwickeln.

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