Neue Materialklasse für die organische Elektronik

Polymeres Kohlenstoffnitrid ist ein organisches Material mit interes­santen opto­elektro­nischen Eigen­schaften. So kann es als Photo­kata­lysator die Spaltung von Wasser mit Sonnen­licht befördern. Nun haben Forscher des Helmholtz-Zentrums Berlin, der Uni Rostock, der FU Berlin und anderer Partner erstmals untersucht, wie Licht in dieser Material­klasse Ladungs­träger erzeugt und die Beweglich­keit und Lebens­dauern von Ladungs­trägern ermittelt. Dabei kamen sie zu über­raschend hohen Werten, die neue Anwendungen, zum Beispiel in Verbindung mit Graphen, in Aussicht stellen.

Polymere Kohlenstoffnitride werden als gelbes Pulver aus Myriaden von Nano­kristallen synthetisiert. Die kristalline Struktur ähnelt der von Graphit, denn die Kohlen­stoff­nitrid-Gruppen sind nur in der Ebene chemisch verbunden, während zwischen den Ebenen nur schwache Van-der-Waals-Kräfte für den Zusammen­halt sorgen. Dass Licht in dieser Material­klasse ein Elektron-Loch-Paar erzeugen kann, war bereits bekannt. So gab es schon zahl­reiche Versuche, polymere Kohlen­stoff­nitride als preis­werte Photo­kata­lysatoren für die solare Wasser­spaltung einzu­setzen, aller­dings ist die Effizienz bislang vergleichs­weise gering.

Das Team um Christoph Merschjann vom HZB und der FU Berlin, sowie Stefan Loch­brunner von der Uni Rostock hat nun erstmals einen genauen Blick in die Prozesse bei der licht­induzierten Ladungs­trennung geworfen. „Das interes­santeste Ergebnis ist, dass Ladungen dabei praktisch nur entlang einer Dimension transpor­tiert werden, und zwar senkrecht zu den graphit­ähnlichen Schichten“, erklärt Merschjann. Dabei erzeugt Licht ein Elektron-Loch-Paar, das sich anschließend in entgegen­gesetzte Richtungen auseinander­bewegt. Mithilfe von Femto­sekunden-Spektro­skopie sowie weiteren spektro­skopischen zeit­aufge­lösten Methoden konnten sie erstmals quantitativ Beweglichkeit und Lebens­dauern der Ladungs­träger bestimmen. Dabei zeigte sich, dass die Beweglich­keit ähnliche Werte wie in konventio­nellen organischen Halb­leiter-Materialien erreicht. Darüber hinaus bleiben die Ladungs­träger lange erhalten, bevor sie wieder rekombi­nieren.

Polymere Kohlenstoffnitride sind nicht nur ungiftig und kosten­günstig, sondern auch extrem belast­bar, da sie chemisch sehr stabil sind und Tempera­turen bis etwa fünf­hundert Grad Celsius stand­halten. Bauelemente aus solchen Verbindungen könnten also in Umgebungen einge­setzt werden, die für die heutige organische Elektronik nicht geeignet sind. Besonders interessant findet Merschjann jedoch die Perspektive, diese Verbindungen geordnet zum Beispiel auf Graphen aufwachsen zu lassen. Denn Graphen besitzt eine extrem hohe Leit­fähig­keit in der Ebene, während die Kohlen­stoff­nitride im Wesent­lichen nur senkrecht dazu leit­fähig sind. „Die Kohlen­stoff­nitride müssen den Vergleich mit konventio­nellen organischen Halb­leiter-Materialien nicht scheuen – im Gegenteil: Mit ihrer Eigenschaft als quasi-ein­dimensionale Halb­leiter könnten sich ganz neu­artige voll-organische opto­elektronische Bau­elemente realisieren lassen“, hofft Merschjann, der sich im aktuellen DFG-geförderten Forschungs­projekt an der FU Berlin mit dem direkten Nachweis der Ladungs­träger beschäftigt.

HZB / RK