Teams van de Humboldt-Universität en het Helmholtz-Zentrum Berlin hebben een nieuw materiaal in de koolstofnitride-familie verkend. Op triazine gebaseerde grafietkoolstofnitride (TGCN) is een halfgeleider die zeer geschikt zou moeten zijn voor toepassingen in de opto-elektronica. De structuur is tweedimensionaal en doet denken aan grafeen. In tegenstelling tot grafeen, echter, de geleidbaarheid in de richting loodrecht op zijn 2D-vlakken is 65 keer hoger dan langs de vlakken zelf.

Sommige organische materialen kunnen op dezelfde manier worden gebruikt als siliciumhalfgeleiders in de opto-elektronica. Of het nu gaat om zonnecellen, lichtgevende dioden, of in transistors - wat belangrijk is, is de band gap, d.w.z. het verschil in energieniveau tussen elektronen in de valentieband (gebonden toestand) en de geleidingsband (mobiele toestand). Ladingsdragers kunnen door middel van licht of een elektrische spanning van de valentieband in de geleidingsband worden gebracht. Dit is het principe achter de werking van alle elektronische componenten. Bandhiaten van één tot twee elektronvolt zijn ideaal.

Een team onder leiding van chemicus Dr. Michael J. Bojdys van de Humboldt Universiteit in Berlijn heeft onlangs een nieuw organisch halfgeleidermateriaal in de koolstofnitride-familie gesynthetiseerd. Op triazine gebaseerde grafietkoolstofnitride (of TGCN) bestaat alleen uit koolstof- en stikstofatomen, en kan worden gekweekt als een bruine film op een kwartssubstraat. De combinatie van C- en N-atomen vormt hexagonale honingraten vergelijkbaar met grafeen, die uit zuivere koolstof bestaat. Net als bij grafeen, de kristallijne structuur van TGCN is tweedimensionaal. Met grafeen, echter, de vlakke geleidbaarheid is uitstekend, terwijl de loodrechte geleidbaarheid zeer slecht is. In TGCN is het precies het tegenovergestelde:de loodrechte geleidbaarheid is ongeveer 65 keer groter dan de vlakke geleidbaarheid. Met een bandafstand van 1,7 elektronvolt, TGCN is een goede kandidaat voor toepassingen in de opto-elektronica.

HZB-fysicus Dr. Christoph Merschjann onderzocht vervolgens de ladingstransporteigenschappen in TGCN-monsters met behulp van tijdsopgeloste absorptiemetingen in het femto- tot nanosecondebereik in het JULiq-laserlaboratorium, een gezamenlijk lab van HZB en Freie Universität Berlin. Dit soort laserexperimenten maken het mogelijk om macroscopische elektrische geleidbaarheid te verbinden met theoretische modellen en simulaties van microscopisch ladingstransport. Uit deze benadering kon hij afleiden hoe de ladingsdragers door het materiaal reizen. "Ze verlaten de zeshoekige honingraten van triazine niet horizontaal, maar ga in plaats daarvan diagonaal naar de volgende zeshoek van triazine in het aangrenzende vlak. Ze bewegen langs buisvormige kanalen door de kristalstructuur." Dit mechanisme zou kunnen verklaren waarom de elektrische geleidbaarheid loodrecht op de vlakken aanzienlijk hoger is dan die langs de vlakken. dit is waarschijnlijk niet voldoende om de werkelijk gemeten factor 65 te verklaren. "We begrijpen de ladingstransporteigenschappen in dit materiaal nog niet helemaal en willen deze verder onderzoeken, " voegt Merschjann toe. Bij ULLAS/HZB in Wannsee, het na JULiq gebruikte analyselab, de opstelling wordt voorbereid voor nieuwe experimenten om dit te bereiken.

"TGCN is daarom tot nu toe de beste kandidaat voor het vervangen van gewone anorganische halfgeleiders zoals silicium en hun cruciale doteermiddelen, waarvan sommige zeldzame elementen zijn, " zegt Bojdys. "Het fabricageproces dat we in mijn groep aan de Humboldt-Universität hebben ontwikkeld, produceert vlakke lagen halfgeleidend TGCN op een isolerend kwartssubstraat. Dit vergemakkelijkt opschaling en eenvoudige fabricage van elektronische apparaten."