Organisk elektronik:En ny halvleder i carbon-nitrid-familien

Hold fra Humboldt-Universität og Helmholtz-Zentrum Berlin har undersøgt et nyt materiale i carbon-nitrid-familien. Triazinbaseret grafitisk carbonnitrid (TGCN) er en halvleder, der burde være særdeles velegnet til applikationer inden for optoelektronik. Dens struktur er todimensionel og minder om grafen. I modsætning til grafen, imidlertid, ledningsevnen i retningen vinkelret på dens 2-D-plan er 65 gange højere end langs selve flyene.

Nogle organiske materialer kan muligvis bruges på samme måde som siliciumhalvledere i optoelektronik. Uanset om det er i solceller, lysemitterende dioder, eller i transistorer - hvad der er vigtigt er båndgabet, dvs. forskellen i energiniveau mellem elektroner i valensbåndet (bundet tilstand) og ledningsbåndet (mobiltilstand). Ladningsbærere kan hæves fra valensbåndet ind i ledningsbåndet ved hjælp af lys eller en elektrisk spænding. Dette er princippet bag, hvordan alle elektroniske komponenter fungerer. Båndgab på en til to elektronvolt er ideelle.

Et team ledet af kemiker Dr. Michael J. Bojdys ved Humboldt University Berlin syntetiserede for nylig et nyt organisk halvledermateriale i kulstofnitrid-familien. Triazinbaseret grafitisk carbonnitrid (eller TGCN) består kun af carbon- og nitrogenatomer, og kan dyrkes som en brun film på et kvartssubstrat. Kombinationen af ​​C- og N-atomer danner sekskantede honningkager, der ligner grafen, som består af rent kulstof. Ligesom med grafen, den krystallinske struktur af TGCN er todimensionel. Med grafen, imidlertid, den plane ledningsevne er fremragende, mens dens vinkelrette ledningsevne er meget dårlig. I TGCN er det præcis det modsatte:den vinkelrette ledningsevne er omkring 65 gange større end den plane ledningsevne. Med et båndgab på 1,7 elektronvolt, TGCN er en god kandidat til applikationer inden for optoelektronik.

HZB-fysiker Dr. Christoph Merschjann undersøgte efterfølgende ladningstransportegenskaberne i TGCN-prøver ved hjælp af tidsopløste absorptionsmålinger i femto- til nanosekundområdet på JULiq laserlaboratoriet, et fælles laboratorium mellem HZB og Freie Universität Berlin. Den slags lasereksperimenter gør det muligt at forbinde makroskopisk elektrisk ledningsevne med teoretiske modeller og simuleringer af mikroskopisk ladningstransport. Ud fra denne tilgang var han i stand til at udlede, hvordan ladningsbærerne bevæger sig gennem materialet. "De kommer ikke ud af triazins sekskantede honningkager vandret, men flyt i stedet diagonalt til den næste sekskant af triazin i naboplanet. De bevæger sig langs rørformede kanaler gennem krystalstrukturen. "Denne mekanisme kan forklare, hvorfor den elektriske ledningsevne vinkelret på flyene er betydeligt højere end den langs planerne. Dog kan dette er sandsynligvis ikke tilstrækkeligt til at forklare den faktiske målte faktor på 65. "Vi forstår endnu ikke fuldt ud ladningstransportegenskaberne i dette materiale og ønsker at undersøge dem nærmere, "tilføjer Merschjann. På ULLAS/HZB i Wannsee, analyselaboratoriet brugt efter JULiq, opsætningen forberedes til nye eksperimenter for at opnå dette.

"TGCN er derfor den hidtil bedste kandidat til udskiftning af almindelige uorganiske halvledere som silicium og deres afgørende dopemidler, hvoraf nogle er sjældne elementer, " siger Bojdys. "Fabrikationsprocessen udviklede vi i min gruppe på Humboldt-Universität, producerer flade lag af halvledende TGCN på et isolerende kvartssubstrat. Dette letter opskalering og enkel fremstilling af elektroniske enheder. "