Team från Humboldt-Universität och Helmholtz-Zentrum Berlin har utforskat ett nytt material i kolnitridfamiljen. Triazinbaserad grafitkolnitrid (TGCN) är en halvledare som borde vara mycket lämplig för applikationer inom optoelektronik. Dess struktur är tvådimensionell och påminner om grafen. Till skillnad från grafen, dock, konduktiviteten i riktningen vinkelrät mot dess 2D-plan är 65 gånger högre än längs själva planen.

Vissa organiska material kan kanske användas på samma sätt som kiselhalvledare i optoelektronik. Oavsett om det är i solceller, ljusemitterande dioder, eller i transistorer - det som är viktigt är bandgapet, dvs. skillnaden i energinivå mellan elektroner i valensbandet (bundet tillstånd) och ledningsbandet (mobiltillstånd). Laddningsbärare kan höjas från valensbandet in i ledningsbandet med hjälp av ljus eller en elektrisk spänning. Detta är principen bakom hur alla elektroniska komponenter fungerar. Bandgap på en till två elektronvolt är idealiska.

Ett team under ledning av kemisten Dr. Michael J. Bojdys vid Humboldt University Berlin syntetiserade nyligen ett nytt organiskt halvledarmaterial i kolnitridfamiljen. Triazinbaserad grafitkolnitrid (eller TGCN) består endast av kol- och kväveatomer, och kan odlas som en brun film på ett kvartssubstrat. Kombinationen av C- och N -atomer bildar sexkantiga honungskakor som liknar grafen, som består av rent kol. Precis som med grafen, den kristallina strukturen hos TGCN är tvådimensionell. Med grafen, dock, den plana konduktiviteten är utmärkt, medan dess vinkelräta konduktivitet är mycket dålig. I TGCN är det exakt motsatsen:den vinkelräta konduktiviteten är cirka 65 gånger större än den plana konduktiviteten. Med ett bandgap på 1,7 elektronvolt, TGCN är en bra kandidat för applikationer inom optoelektronik.

HZB-fysikern Dr Christoph Merschjann undersökte därefter laddningstransportegenskaperna i TGCN-prover med hjälp av tidsupplösta absorptionsmätningar i femto- till nanosekundersområdet vid JULiq laserlaboratoriet, ett gemensamt labb mellan HZB och Freie Universität Berlin. Den här typen av laserexperiment gör det möjligt att koppla samman makroskopisk elektrisk konduktivitet med teoretiska modeller och simuleringar av mikroskopisk laddningstransport. Av detta tillvägagångssätt kunde han härleda hur laddningsbärarna färdas genom materialet. "De lämnar inte triazinets sexkantiga bikakor horisontellt, men flytta istället diagonalt till nästa hexagon av triazin i det angränsande planet. De rör sig längs rörformiga kanaler genom kristallstrukturen. "Denna mekanism kan förklara varför den elektriska konduktiviteten vinkelrätt mot planen är betydligt högre än den längs planen. Men Detta är förmodligen inte tillräckligt för att förklara den faktiska uppmätta faktorn 65. "Vi förstår ännu inte fullt ut laddningstransportegenskaperna i detta material och vill undersöka dem ytterligare, "tillägger Merschjann. På ULLAS/HZB i Wannsee, analyslabbet som användes efter JULiq, installationen förbereds för nya experiment för att åstadkomma detta.

"TGCN är därför den bästa kandidaten hittills för att ersätta vanliga oorganiska halvledare som kisel och deras avgörande dopämnen, varav några är sällsynta element, " säger Bojdys. "Tillverkningsprocessen vi utvecklade i min grupp på Humboldt-Universität, producerar plana lager av halvledande TGCN på ett isolerande kvartssubstrat. Detta underlättar uppskalning och enkel tillverkning av elektroniska enheter."