Il nitruro di carbonio polimerico è un materiale organico con interessanti proprietà optoelettroniche. Come fotocatalizzatore economico, può essere utilizzato per facilitare la scissione dell'acqua utilizzando la luce solare. Una collaborazione ha ora studiato per la prima volta come la luce crea portatori di carica in questa classe di materiali e ha stabilito dettagli sulla mobilità e la durata della carica. Hanno scoperto caratteristiche sorprendenti nelle loro indagini che forniscono prospettive per nuove applicazioni, in combinazione con il grafene per esempio.

I nitruri di carbonio polimerici sono composti organici sintetizzati per formare una polvere gialla di una miriade di nanocristalli. La struttura cristallina ricorda quella della grafite perché i gruppi di nitruro di carbonio sono legati chimicamente solo a strati, mentre solo le deboli forze di Van der Waals forniscono coesione tra questi strati. Era già noto che la luce è in grado di creare una coppia elettrone-lacuna in questa classe di materiali. Quindi ci sono già stati numerosi tentativi di impiegare nitruri di carbonio polimerici come fotocatalizzatori economici per la scissione dell'acqua a energia solare. Però, i livelli di efficienza finora sono rimasti relativamente bassi.

La luce crea portatori di carica

Ora un team guidato dal Dr. Christoph Merschjann (HZB e Freie Universität Berlin) e dal Prof. Stefan Lochbrunner (Università di Rostock) ha per la prima volta sondato con precisione i processi che si verificano durante la separazione della carica indotta dalla luce. "Il risultato più interessante è stato che le cariche vengono fondamentalmente trasportate lungo una sola dimensione durante questo processo, perpendicolare agli strati simili alla grafite", spiega Merschjann. La luce crea una coppia elettrone-lacuna che successivamente migra in direzioni opposte. Utilizzando la spettroscopia a femtosecondi e altri metodi spettroscopici nel dominio del tempo, i ricercatori sono stati in grado di effettuare le prime misurazioni quantitative della mobilità e della durata dei portatori di carica. Ciò ha rivelato che la mobilità della carica raggiunge valori simili a quelli dei materiali semiconduttori organici convenzionali. Inoltre, i portatori di carica sono longevi prima di ricombinarsi nuovamente.

Nuovo materiale per l'elettronica organica

I nitruri di carbonio polimerici non sono solo atossici ed economici, sono inoltre estremamente resistenti perché sono chimicamente molto stabili e possono resistere a temperature fino a circa 500 °C. I componenti realizzati con questo tipo di composti potrebbero quindi essere utilizzati in ambienti non adatti all'elettronica organica di oggi. Merschjann trova la prospettiva di coltivare questi composti su substrati ordinati, come ad esempio il grafene, particolarmente interessante però. Questo perché il grafene possiede una conduttività nel piano estremamente elevata, mentre i nitruri di carbonio conducono principalmente perpendicolarmente ai fogli.

"I nitruri di carbonio non devono temere la concorrenza con i materiali semiconduttori organici convenzionali. Al contrario, tipi completamente nuovi di componenti optoelettronici completamente organici potrebbero essere costruiti utilizzando la loro proprietà di essere essenzialmente semiconduttori unidimensionali, " Merschjann spera. Attualmente sta lavorando alla misurazione diretta dei portatori di carica in un progetto di ricerca finanziato da DFG presso la Freie Universität Berlin.