新型有機半導體材料：可應用於光電領域

導讀

據德國亥姆霍茲柏林材料與能源研究中心（HZB）官網近日報道，該研究機構與柏林洪堡大學的研究人員開發出一種屬於氮化碳族的新材料：三嗪基石墨相氮化碳（TGCN）。它是一種可以高度適應光電子學應用的半導體。

背景

某些有機材料可能像硅半導體一樣應用於光電子學。

採用OLED技術的智能眼鏡顯示屏（圖片來源：弗勞恩霍夫協會電子射線和等離子技術研究所）

柔性、透明的有機太陽能電池（圖片來源：MIT）

有機薄膜晶體管（圖片來源： Rob Felt，喬治亞理工學院）

無論是在有機電池、發光二極體或者是晶體管中，重要的是帶隙，也就是說價帶（束縛狀態）與導帶（運動狀態）中的電子在能級方面的差異。在光線或者電壓的作用下，載流子會從價帶躍遷到導帶上。這是所有電子元器件背後的工作原理。帶隙在1到2個電子伏特之間是理想的。

創新

近日，柏林洪堡大學化學家 Michael J. Bojdys 博士領導的團隊合成了一種屬於氮化碳族的新型有機半導體材料：三嗪基石墨相氮化碳（TGCN）。

技術

這種材料僅由碳原子與氮原子組成，可以生長為處於石英基底上的棕色薄膜。

這幅圖片暗指背景中的激光實驗並展示了TGCN的結構。（圖片來源: C.Merschjann/HZB）

碳與氮原子組成類似石墨烯（完全由碳原子組成）的六邊形蜂巢結構。與石墨烯一樣，TGCN的晶體結構是二維的。然而，對於石墨烯來說，平面導電性很好，而垂直導電性很差。

（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

而TGCN恰恰相反：垂直導電率比平面導電率高約65倍。TGCN的帶隙是1.7電子伏特，因此也是光電應用的優秀候選材料之一。

隨後，HZB 物理學家 Christoph Merschjann 博士在 JULiq 激光實驗室（HZB 與柏林自由大學的聯合實驗室），採用飛秒到納秒範圍的時間分辨吸收測量，研究了TGCN樣本中的電荷輸運特性。這些激光實驗使得「宏觀導電性理論模型」與「微觀電荷輸運模擬」聯繫到了一起。通過這個方法，他能夠推斷載流子是如何通過材料的。

「它們並不是水平地離開三嗪的六邊形蜂巢結構，而是斜對地移動到相鄰平面中的下一個三嗪六邊形。它們沿著管狀通道通過晶體結構。」這個機制也解釋了為什麼垂直於平面的導電性比沿著平面的導電性高。

然而，這可能不足以解釋實際測量到的65倍。Merschjann 補充道：「我們現在還沒有完全理解材料中的電荷輸運特性，並想要進一步研究它。」在JULiq之後，位於萬塞的 ULLAS / HZB 的分析實驗室已經準備好新實驗來進一步研究。

價值

Bojdys 表示：「因此，到目前為止，TGCN是取代硅等普通無機半導體及其關鍵摻雜劑（其中一些是稀有元素）的最佳候選材料。我們在柏林洪堡大學課題組研發的製造工藝，在絕緣的石英基底上製造出半導電的TGCN扁平層。它促進了規模化和簡單化的電子器件生產。」

關鍵字

石墨烯、二維半導體、有機電子

參考資料

【1】Yu Noda, Christoph Merschjann, Ján Tarábek, Patrick Amsalem, Norbert Koch, Michael J. Bojdys. Directional Charge Transport in Layered Two-Dimensional Triazine-Based Graphitic Carbon Nitride. Angewandte Chemie International Edition, 2019; DOI: 10.1002/anie.201902314

【2】https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=20603;sprache=en;seitenid=1

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