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新型有机半导体材料:可应用于光电领域

导读

据德国亥姆霍兹柏林材料与能源研究中心(HZB)官网近日报道,该研究机构与柏林洪堡大学的研究人员开发出一种属于氮化碳族的新材料:三嗪基石墨相氮化碳(TGCN)。它是一种可以高度适应光电子学应用的半导体

背景

某些有机材料可能像硅半导体一样应用于光电子学。


德国弗劳恩霍夫协会开发的采用OLED技术的智能眼镜显示屏(图片来源:弗劳恩霍夫协会电子射线和等离子技术研究所)

柔性、透明的有机太阳能电池(图片来源:MIT)

有机薄膜晶体管(图片来源: Rob Felt,佐治亚理工学院)

无论是在有机电池、发光二极管或者是晶体管中,重要的是带隙,也就是说价带(束缚状态)与导带(运动状态)中的电子在能级方面的差异。在光线或者电压的作用下,载流子会从价带跃迁到导带上。这是所有电子元器件背后的工作原理。带隙在1到2个电子伏特之间是理想的。

创新

近日,柏林洪堡大学化学家 Michael J. Bojdys 博士领导的团队合成了一种属于氮化碳族的新型有机半导体材料:三嗪基石墨相氮化碳(TGCN)。

技术

这种材料仅由碳原子与氮原子组成,可以生长为处于石英基底上的棕色薄膜。

这幅图片暗指背景中的激光实验并展示了TGCN的结构。(图片来源: C.Merschjann/HZB)

碳与氮原子组成类似石墨烯(完全由碳原子组成)的六边形蜂巢结构。与石墨烯一样,TGCN的晶体结构是二维的。然而,对于石墨烯来说,平面导电性很好,而垂直导电性很差。

而TGCN恰恰相反:垂直导电率比平面导电率高约65倍。TGCN的带隙是1.7电子伏特,因此也是光电应用的优秀候选材料之一。

随后,HZB 物理学家 Christoph Merschjann 博士在 JULiq 激光实验室(HZB 与柏林自由大学的联合实验室),采用飞秒到纳秒范围的时间分辨吸收测量,研究了TGCN样本中的电荷输运特性。这些激光实验使得“宏观导电性理论模型”与“微观电荷输运仿真”联系到了一起。通过这个方法,他能够推断载流子是如何通过材料的。

“它们并不是水平地离开三嗪的六边形蜂巢结构,而是斜对地移动到相邻平面中的下一个三嗪六边形。它们沿着管状通道通过晶体结构。”这个机制也解释了为什么垂直于平面的导电性比沿着平面的导电性高。

然而,这可能不足以解释实际测量到的65倍。Merschjann 补充道:“我们现在还没有完全理解材料中的电荷输运特性,并想要进一步研究它。”在JULiq之后,位于万塞的 ULLAS / HZB 的分析实验室已经准备好新实验来进一步研究。

价值

Bojdys 表示:“因此,到目前为止,TGCN是取代硅等普通无机半导体及其关键掺杂剂(其中一些是稀有元素)的最佳候选材料。我们在柏林洪堡大学课题组研发的制造工艺,在绝缘的石英基底上制造出半导电的TGCN扁平层。它促进了规模化和简单化的电子器件生产。”

【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 NitrideAngewandte Chemie International Edition, 2019; DOI: 10.1002/anie.201902314

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

· 2019-06-08 12:18  本新闻来源自:IntelligentThings,版权归原创方所有

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