I team della Humboldt-Universität e dell'Helmholtz-Zentrum Berlin hanno esplorato un nuovo materiale nella famiglia del nitruro di carbonio. Il nitruro di carbonio grafitico a base di triazina (TGCN) è un semiconduttore che dovrebbe essere altamente adatto per applicazioni in optoelettronica. La sua struttura è bidimensionale e ricorda il grafene. A differenza del grafene, però, la conducibilità nella direzione perpendicolare ai suoi piani 2-D è 65 volte superiore a quella lungo i piani stessi.

Alcuni materiali organici potrebbero essere utilizzati in modo simile ai semiconduttori di silicio nell'optoelettronica. Sia nelle celle solari, diodi emettitori di luce, o nei transistor:ciò che è importante è il band gap, cioè la differenza di livello energetico tra gli elettroni nella banda di valenza (stato legato) e la banda di conduzione (stato mobile). I portatori di carica possono essere innalzati dalla banda di valenza alla banda di conduzione per mezzo della luce o di una tensione elettrica. Questo è il principio alla base del funzionamento di tutti i componenti elettronici. I gap di banda da uno a due elettronvolt sono ideali.

Un team guidato dal chimico Dr. Michael J. Bojdys della Humboldt University di Berlino ha recentemente sintetizzato un nuovo materiale semiconduttore organico nella famiglia del nitruro di carbonio. Il nitruro di carbonio grafitico a base di triazina (o TGCN) è costituito solo da atomi di carbonio e azoto, e può essere coltivato come una pellicola marrone su un substrato di quarzo. La combinazione di atomi di C e N forma favi esagonali simili al grafene, che consiste di carbonio puro. Proprio come con il grafene, la struttura cristallina del TGCN è bidimensionale. Con grafene, però, la conducibilità planare è eccellente, mentre la sua conduttività perpendicolare è molto scarsa. In TGCN è esattamente il contrario:la conducibilità perpendicolare è circa 65 volte maggiore della conducibilità planare. Con una banda proibita di 1,7 elettronvolt, TGCN è un buon candidato per applicazioni in optoelettronica.

Il fisico HZB Dr. Christoph Merschjann ha successivamente studiato le proprietà di trasporto di carica nei campioni TGCN utilizzando misurazioni di assorbimento risolte nel tempo nell'intervallo da femto a nanosecondi presso il laboratorio laser JULiq, un laboratorio congiunto tra HZB e Freie Universität Berlin. Questi tipi di esperimenti laser consentono di collegare la conducibilità elettrica macroscopica con modelli teorici e simulazioni di trasporto di carica microscopica. Da questo approccio è stato in grado di dedurre come i portatori di carica viaggiano attraverso il materiale. "Non escono orizzontalmente dai favi esagonali della triazina, ma invece spostati in diagonale al prossimo esagono di triazina nel piano vicino. Si muovono lungo canali tubolari attraverso la struttura cristallina." Questo meccanismo potrebbe spiegare perché la conduttività elettrica perpendicolare ai piani è notevolmente superiore a quella lungo i piani. Tuttavia, questo probabilmente non è sufficiente per spiegare l'effettivo fattore misurato di 65. "Non comprendiamo ancora appieno le proprietà di trasporto di carica in questo materiale e vogliamo investigarle ulteriormente, " aggiunge Merschjann. Alla ULLAS/HZB di Wannsee, il laboratorio di analisi utilizzato dopo JULiq, la configurazione è in fase di preparazione per nuovi esperimenti per raggiungere questo obiettivo.

"Il TGCN è quindi il miglior candidato finora per sostituire i comuni semiconduttori inorganici come il silicio e i loro droganti cruciali, alcuni dei quali sono elementi rari, " dice Bojdys. "Il processo di fabbricazione che abbiamo sviluppato nel mio gruppo alla Humboldt-Universität, produce strati piani di TGCN semiconduttore su un substrato di quarzo isolante. Ciò facilita l'upscaling e la semplice fabbricazione di dispositivi elettronici."