Organische Elektronik Kohlenstoffnitrid als 2D-Halbleiter für die Optoelektronik

Deutsche Forscher haben das Halbleitermaterial Triazin-basiertes graphitisches Kohlenstoffnitrid (TGCN) untersucht. Die Struktur ist zweidimensional und erinnert an Graphen. Aber anders als beim Graphen ist die Leitfähigkeit senkrecht zu den Ebenen 65-mal höher als in den Ebenen selbst.

Ein Team um den Chemiker Dr. Michael J. Bojdys vom IRIS Adlershof (Integrative Research Institute for the Sciences) und dem Institut für Chemie der Humboldt-Universität zu Berlin hat kürzlich ein neues organisches Halbleitermaterial aus der Familie der Kohlenstoffnitride synthetisiert. Triazin-basiertes graphitisches Kohlenstoffnitrid (TGCN) besteht nur aus Kohlenstoff- und Stickstoffatomen und lässt sich als brauner Film auf einem Quarzsubstrat aufwachsen.

Die C- und N-Atome bilden miteinander sechseckige Waben, ähnlich wie im Graphen, das aus reinem Kohlenstoff besteht. Wie bei Graphen ist auch beim TGCN die kristalline Struktur zweidimensional. Bei Graphen ist die Leitfähigkeit in der Ebene exzellent, senkrecht dazu jedoch deutlich schlechter. Bei TGCN ist es genau umgekehrt: Die Leitfähigkeit senkrecht zur Ebene ist rund 65-mal höher ist als in der Ebene selbst. Mit einer Bandlücke von 1,7 eV ist TGCN ein guter Kandidat für Anwendungen in der Optoelektronik.

Der Physiker Dr. Christoph Merschjann vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) hat daraufhin im Laserlabor JULiq, einem Joint Lab zwischen HZB und Freier Universität Berlin, die Transporteigenschaften in Proben aus TGCN mit zeitaufgelösten Absorptionsmessungen im Femto- bis Nanosekundenbereich untersucht. Durch solche Laserexperimente lassen sich makroskopische Leitfähigkeiten mit mikroskopischen Transportmodellen verknüpfen. Aus den Messdaten konnte er ableiten, wie die Ladungsträger durch das Material diffundieren. »Sie verlassen die sechseckigen Waben aus Triazin-Einheiten nicht horizontal, sondern bewegen sich schräg zur nächsten Triazin-Einheit in der Nachbarebene. Dabei führt die Kristallstruktur zu einer bevorzugten Bewegung entlang röhrenartiger Kanäle«, erklärt Merschjann. Dieser Mechanismus könnte erklären, dass die Leitfähigkeit senkrecht zu den Ebenen deutlich höher ist, als in den Ebenen.

»TGCN ist daher bislang der beste Kandidat, um gängige anorganische Halbleiter wie Silizium mit ihren teilweise kritischen Dotanden aus seltenen Elementen zu ersetzen«, meint Michael Bojdys. »Unser Herstellungsverfahren, das wir in meiner Gruppe an der Humboldt-Universität entwickelt haben, führt zu flachen Schichten von halbleitendem TGCN auf isolierendem Quarzglas. Dadurch lässt sich der Prozess skalieren und Bauelemente einfach fertigen«, ergänzt er.

Originalpublikation

Noda, Y.; Merschjann, C.; Tarábek, J.; Amsalem, P.; Koch, N.; Bojdys, Directional Charge Transport in Layered Two‐Dimensional Triazine‐Based Graphitic Carbon Nitride, M. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2019, DOI: 10.1002/anie.201902314