Ny klasse af materialer til organisk elektronik:Ladningstransport i polymert carbonnitrid detaljeret for første gang

Polymert carbonnitrid er et organisk materiale med interessante optoelektroniske egenskaber. Som en billig fotokatalysator, den kan bruges til at lette vandopdeling ved hjælp af sollys. Et samarbejde har nu for første gang undersøgt, hvordan lys skaber ladningsbærere i denne klasse af materialer og etableret detaljer om ladningsmobilitet og levetid. De opdagede overraskende karakteristika i deres undersøgelser, der giver udsigt til nye applikationer, i forbindelse med f.eks. grafen.

Polymere carbonnitrider er organiske forbindelser syntetiseret til dannelse af et gult pulver af et utal af nanokrystaller. Den krystallinske struktur minder om grafits, fordi carbonnitridgrupperne kun er kemisk bundet i lag, mens bare svage Van der Waals -kræfter giver samhørighed mellem disse lag. Det var allerede kendt, at lys er i stand til at skabe et elektronhulspar i denne materialeklasse. Så der har allerede været adskillige forsøg på at anvende polymere carbonnitrider som omkostningseffektive fotokatalysatorer til soldrevet vandopdeling. Imidlertid, effektivitetsniveauerne har indtil nu været forholdsvis lave.

Lys skaber ladningsbærere

Nu har et team ledet af Dr. Christoph Merschjann (HZB og Freie Universität Berlin) og Prof. Stefan Lochbrunner (Universitetet i Rostock) for første gang præcist undersøgt de processer, der opstår under lysinduceret ladningsadskillelse. "Det mest interessante resultat har været, at ladninger stort set kun transporteres langs én dimension under denne proces, vinkelret på de grafitlignende lag", forklarer Merschjann. Lyset skaber et elektron-hul-par, der efterfølgende migrerer i modsatte retninger. Ved at bruge femtosekundspektroskopi såvel som andre spektroskopiske tidsdomænemetoder, forskerne var i stand til at foretage de første kvantitative mobilitets- og levetidsmålinger på ladningsbærerne. Dette afslørede, at ladningsmobiliteten opnår værdier svarende til dem i konventionelle organiske halvledermaterialer. I øvrigt, ladningsbærerne har lang levetid, før de rekombineres igen.

Nyt materiale til organisk elektronik

Polymere carbonnitrider er ikke kun ugiftige og omkostningseffektive, de er også ekstremt holdbare, fordi de er kemisk meget stabile og kan modstå temperaturer på op til omkring 500 °C. Komponenter fremstillet af denne slags forbindelser kan derfor anvendes i miljøer, der er uegnede til nutidens organiske elektronik. Merschjann finder udsigten til at dyrke disse forbindelser på bestilte substrater, såsom grafen for eksempel, dog især interessant. Dette skyldes, at grafen har ekstrem høj ledningsevne i planet, mens kulnitrider primært leder vinkelret på pladerne.

"Carbonnitrider behøver ikke frygte konkurrencen med konventionelle organiske halvledermaterialer. Tværtimod, helt nye slags helt organiske optoelektroniske komponenter kan bygges ved at bruge deres egenskab ved at være i det væsentlige endimensionelle halvledere, " håber Merschjann. Han arbejder i øjeblikket på at lave direkte målinger af ladningsbærerne i et DFG-finansieret forskningsprojekt ved Freie Universität Berlin.