有机电子 碳氮化物族中的新半导体

来自Humboldt-Universität和Helmholtz-Zentrum Berlin的团队探索了碳氮化物族的新材料。基于三嗪的石墨碳氮化物(TGCN)是一种非常适合光电子应用的半导体。它的结构是二维的，让人联想到石墨烯。然而，与石墨烯不同，垂直于其2D平面的方向上的导电率比沿着平面本身高65倍。一些有机材料可能与光电子学中的硅半导体类似地使用。无论是在太阳能电池，发光二极管还是在晶体管中 - 重要的是带隙，即价带(束缚态)和导带(移动态)中电子能级之间的差异。电荷载流子可以通过光或电压从价带升高到导带。这是所有电子元件运行的原理。一到两个电子伏特的带隙是理想的。

柏林洪堡大学化学家Michael J. Bojdys博士领导的一个团队最近在碳氮化物族中合成了一种新的有机半导体材料。基于三嗪的石墨碳氮化物(或TGCN)仅由碳和氮原子组成，可在石英基板上生长为棕色薄膜.C和N原子的组合形成类似于石墨烯的六边形蜂窝，石墨烯由纯碳组成与石墨烯一样，TGCN的晶体结构是二维的。然而，石墨烯的平面电导率很好，而其垂直电导率很差。在TGCN中恰恰相反：垂直电导率比平面电导率大约65倍。TGCN的带隙为1.7电子伏特，是光电子应用的理想选择。

HZB物理学家Christoph Merschjann博士随后在JULiq激光实验室(HZB和柏林自由大学的JointLab)中使用时间分辨吸收测量法在毫微微纳秒范围内研究了TGCN样品中的电荷传输特性。这些类型的激光实验使得可以将宏观电导率与理论模型和微观电荷传输的模拟联系起来。通过这种方法，他能够推断出载流子穿过材料的方式。“它们不会水平地离开三嗪的六边形蜂窝，而是沿对角线移动到相邻平面中的下一个三嗪六边形。它们沿着管状通道穿过晶体结构。”这种机制可以解释为什么垂直于平面的电导率远高于沿平面的电导率。然而，这可能不足以解释65的实际测量因子。“我们还没有完全理解这种材料中的电荷传输特性，并希望进一步研究它们，”Merschjann补充道。在Wannsee的ULLAS / HZB，JULiq之后使用的分析实验室，正在为实现此目的的新实验准备设置。

“因此，TGCN是目前替代普通无机半导体(如硅及其关键掺杂剂，其中一些是稀有元素)的最佳候选者，”Bojdys说。“我们在Humboldt-Universität小组开发的制造工艺，在绝缘石英衬底上生成平坦的半导体TGCN层。这有助于电子器件的升级和简单制造。