Triazin-baseret, grafitisk carbonnitrid som ny todimensionel halvleder

(Phys.org) —Graphene er blevet betragtet som en varm kandidat til en ny generation af siliciumfri elektronik siden opdagelsen af ​​denne todimensionelle form for kulstof. Imidlertid, grafen er ikke en halvleder. I journalen Angewandte Chemie , et internationalt team af forskere har nu introduceret et kulstofnitrid, en strukturel analog af grafen lavet af kulstof og nitrogen, der ser ud til at udvise halvledende egenskaber.

Med en plan, sekskantet, honeycomb struktur og frit bevægelige elektroner, grafen er, i princippet, intet mere end et enkelt-atom lag af grafit. Fra et elektronisk synspunkt, det er et meget interessant stof – men det mangler det typiske elektroniske båndgab, der ville gøre det til en halvleder. Dette båndgab er forskellen i energi mellem valensbåndet og elektronernes ledningsbånd. For at være effektiv, dette hul må ikke være for stort, så det tillader elektroner let at bevæge sig fra valensbåndet til ledningsbåndet, når de exciteres. Forskellige metoder er tidligere blevet brugt til at give grafen et sådant båndgab. En alternativ idé er at lave et "grafitisk carbonnitrid", et materiale lavet af kulstof og nitrogen, som burde have egenskaber meget lig grafen. Et team af forskere fra University of Liverpool (UK), Universitetet i Ulm (Tyskland), Humboldt Universitetet i Berlin (Tyskland), Aalto Universitetet (Finland), University College London (Storbritannien), og Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam (Tyskland) har nu været i stand til at lave et sådant materiale for første gang.

Transmissionselektronmikroskopi og scanningskraftmikroskopi, såvel som røntgenkrystallografiske undersøgelser viste, at de tynde krystallinske film er en triazin-baseret, grafitisk carbonnitrid (TGCN). Triaziner er seksleddede ringe, der indeholder tre kulstof- og tre nitrogenatomer. Det nye materiale består af sådanne triazinringe, med yderligere nitrogenatomer, der forbinder ringene i grupper af tre for at lave et todimensionelt lag. Holdet ledet af Andrew I. Cooper og Michael J. Bojdys mener, at disse lag ikke er helt plane, men er i stedet let bølget.

TGCN har således en struktur svarende til grafit, dog - som håbet - er det en halvleder. De fremstillede film bestod af mellem tre og flere hundrede lag af atomer med et direkte båndgab mellem 1,6 og 2,0 eV. Under produktionsprocessen, lagene af TGCN afsættes fortrinsvis på substrater. Krystalliseringen af ​​TGCN på overfladen af ​​isolerende kvarts giver mulighed for praktisk relevante anvendelser. Dette kan være et skridt på vejen til elektronikkens post-silicium-æra.