Polymer kolnitrid är ett organiskt material med intressanta optoelektroniska egenskaper. Som en billig fotokatalysator, den kan användas för att underlätta vattendelning med solljus. Ett samarbete har nu för första gången undersökt hur ljus skapar laddningsbärare i denna klass av material och etablerat detaljer om laddningsrörlighet och livslängder. De upptäckte överraskande egenskaper i sina undersökningar som ger möjligheter till nya tillämpningar, i samband med grafen till exempel.

Polymera kolnitrider är organiska föreningar som syntetiseras för att bilda ett gult pulver av en myriad av nanokristaller. Den kristallina strukturen liknar grafit eftersom kolnitridgrupperna är kemiskt bundna endast i lager, medan bara svaga Van der Waals-krafter ger sammanhållning mellan dessa skikt. Det var redan känt att ljus kan skapa ett elektron-hålspar i denna klass av material. Så det har redan gjorts många försök att använda polymera kolnitrider som kostnadseffektiva fotokatalysatorer för soldriven vattenklyvning. Dock, effektivitetsnivåerna har hittills varit förhållandevis låga.

Ljus skapar laddningsbärare

Nu har ett team under ledning av Dr. Christoph Merschjann (HZB och Freie Universität Berlin) och Prof. Stefan Lochbrunner (Universitetet i Rostock) för första gången noggrant undersökt de processer som sker under ljusinducerad laddningsseparation. "Det mest intressanta resultatet har varit att laddningar i princip bara transporteras längs en dimension under denna process, vinkelrätt mot de grafitliknande lagren", förklarar Merschjann. Ljuset skapar ett elektron-hål-par som sedan migrerar i motsatta riktningar. Genom att använda femtosekundspektroskopi såväl som andra spektroskopiska tidsdomänmetoder, forskarna kunde göra de första kvantitativa rörlighets- och livstidsmätningarna på laddningsbärarna. Detta avslöjade att laddningsrörligheten uppnår värden som liknar de i konventionella organiska halvledarmaterial. Dessutom, Laddningsbärarna är långlivade innan de kombineras igen.

Nytt material för organisk elektronik

Polymera kolnitrider är inte bara giftfria och kostnadseffektiva, de är också extremt hållbara eftersom de är kemiskt mycket stabila och tål temperaturer på upp till ca 500 °C. Komponenter gjorda av den här typen av föreningar kan därför användas i miljöer som är olämpliga för dagens organiska elektronik. Merschjann finner möjligheten att odla dessa föreningar på ordnade substrat, som grafen till exempel, speciellt intressant dock. Detta beror på att grafen har extremt hög konduktivitet i planet, medan kolnitrider i första hand leder vinkelrätt mot arken.

"Kolnitrider behöver inte frukta konkurrensen med konventionella organiska halvledarmaterial. Tvärtom, helt nya typer av helt organiska optoelektroniska komponenter kan byggas med deras egenskap att vara i huvudsak endimensionella halvledare, " hoppas Merschjann. Han arbetar för närvarande med att göra direkta mätningar av laddningsbärarna i ett DFG-finansierat forskningsprojekt vid Freie Universität Berlin.