Polymeer koolstofnitride is een organisch materiaal met interessante opto-elektronische eigenschappen. Als goedkope fotokatalysator, het kan worden gebruikt om het splitsen van water met behulp van zonlicht te vergemakkelijken. Een samenwerkingsverband heeft nu voor het eerst onderzocht hoe licht ladingsdragers in deze materiaalklasse creëert en heeft details vastgelegd over ladingsmobiliteit en levensduur. Ze ontdekten in hun onderzoek verrassende eigenschappen die perspectief bieden op nieuwe toepassingen, in combinatie met bijvoorbeeld grafeen.

Polymere koolstofnitriden zijn organische verbindingen die worden gesynthetiseerd om een ​​geel poeder te vormen van een groot aantal nanokristallen. De kristallijne structuur lijkt op die van grafiet omdat de koolstofnitridegroepen chemisch alleen in lagen zijn gebonden, terwijl juist zwakke Van der Waals-krachten zorgen voor samenhang tussen deze lagen. Het was al bekend dat licht in deze materiaalklasse een elektron-gatpaar kan creëren. Er zijn dus al talloze pogingen gedaan om polymere koolstofnitriden te gebruiken als kosteneffectieve fotokatalysatoren voor het splitsen van water op zonne-energie. Echter, de efficiëntieniveaus zijn tot dusver relatief laag gebleven.

Licht creëert ladingdragers

Nu heeft een team onder leiding van Dr. Christoph Merschjann (HZB en Freie Universität Berlin) en Prof. Stefan Lochbrunner (Universiteit van Rostock) voor het eerst nauwkeurig de processen onderzocht die plaatsvinden tijdens door licht geïnduceerde ladingsscheiding. "Het meest interessante resultaat is dat ladingen tijdens dit proces in principe maar langs één dimensie worden getransporteerd, loodrecht op de grafietachtige lagen", legt Merschjann uit. Het licht creëert een elektron-gatpaar dat vervolgens in tegengestelde richtingen migreert. Met behulp van femtoseconde spectroscopie en andere spectroscopische tijddomeinmethoden, de onderzoekers konden de eerste kwantitatieve mobiliteits- en levensduurmetingen doen op de ladingsdragers. Hieruit bleek dat de ladingsmobiliteit waarden bereikt die vergelijkbaar zijn met die in conventionele organische halfgeleidermaterialen. Bovendien, de ladingsdragers hebben een lange levensduur voordat ze weer recombineren.

Nieuw materiaal voor organische elektronica

Polymere koolstofnitrides zijn niet alleen niet-toxisch en kosteneffectief, ze zijn ook extreem duurzaam omdat ze chemisch zeer stabiel zijn en bestand zijn tegen temperaturen tot ongeveer 500 ° C. Componenten die van dit soort verbindingen zijn gemaakt, kunnen daarom worden gebruikt in omgevingen die niet geschikt zijn voor de hedendaagse organische elektronica. Merschjann ziet het vooruitzicht om deze verbindingen te kweken op geordende substraten, zoals grafeen bijvoorbeeld, vooral interessant hoor. Dit komt omdat grafeen een extreem hoge geleidbaarheid in het vlak heeft, terwijl koolstofnitriden voornamelijk loodrecht op de platen geleiden.

"Koolnitrides hoeven niet bang te zijn voor de concurrentie met conventionele organische halfgeleidermaterialen. Integendeel, volledig nieuwe soorten volledig organische opto-elektronische componenten kunnen worden gebouwd met behulp van hun eigenschap om in wezen eendimensionale halfgeleiders te zijn, " hoopt Merschjann. Hij werkt momenteel aan het maken van directe metingen van de ladingsdragers in een door DFG gefinancierd onderzoeksproject aan de Freie Universität Berlin.