Des équipes de Humboldt-Universität et du Helmholtz-Zentrum Berlin ont exploré un nouveau matériau de la famille des nitrures de carbone. Le nitrure de carbone graphitique à base de triazine (TGCN) est un semi-conducteur qui devrait parfaitement convenir aux applications en optoélectronique. Sa structure est bidimensionnelle et rappelle le graphène. Contrairement au graphène, cependant, la conductivité dans la direction perpendiculaire à ses plans 2-D est 65 fois plus élevée que le long des plans eux-mêmes.

Certains matériaux organiques pourraient être utilisés de la même manière que les semi-conducteurs au silicium en optoélectronique. Que ce soit dans les cellules solaires, diodes électroluminescentes, ou dans les transistors - ce qui est important c'est la bande interdite, c'est-à-dire la différence de niveau d'énergie entre les électrons dans la bande de valence (état lié) et la bande de conduction (état mobile). Les porteurs de charge peuvent être élevés de la bande de valence à la bande de conduction au moyen de lumière ou d'une tension électrique. C'est le principe qui sous-tend le fonctionnement de tous les composants électroniques. Des bandes interdites d'un à deux électrons-volts sont idéales.

Une équipe dirigée par le chimiste Michael J. Bojdys de l'Université Humboldt de Berlin a récemment synthétisé un nouveau matériau semi-conducteur organique de la famille des nitrures de carbone. Le nitrure de carbone graphitique à base de triazine (ou TGCN) est constitué uniquement d'atomes de carbone et d'azote, et peut être cultivé sous forme de film brun sur un substrat de quartz. La combinaison d'atomes C et N forme des nids d'abeilles hexagonaux similaires au graphène, qui est constitué de carbone pur. Comme pour le graphène, la structure cristalline du TGCN est bidimensionnelle. Avec du graphène, cependant, la conductivité planaire est excellente, alors que sa conductivité perpendiculaire est très mauvaise. Dans le TGCN, c'est exactement le contraire :la conductivité perpendiculaire est environ 65 fois supérieure à la conductivité planaire. Avec une bande interdite de 1,7 électron-volt, TGCN est un bon candidat pour des applications en optoélectronique.

Le physicien du HZB, le Dr Christoph Merschjann, a ensuite étudié les propriétés de transport de charge dans des échantillons de TGCN à l'aide de mesures d'absorption résolues en temps dans la plage de la femto à la nanoseconde au laboratoire laser JULiq, un laboratoire commun entre HZB et Freie Universität Berlin. Ces types d'expériences laser permettent de connecter la conductivité électrique macroscopique avec des modèles théoriques et des simulations de transport de charges microscopiques. De cette approche, il a pu déduire comment les porteurs de charge se déplacent à travers le matériau. "Ils ne sortent pas horizontalement des nids d'abeilles hexagonaux de la triazine, mais déplacez-vous plutôt en diagonale vers le prochain hexagone de triazine dans le plan voisin. Ils se déplacent le long de canaux tubulaires à travers la structure cristalline. » Ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi la conductivité électrique perpendiculaire aux plans est considérablement plus élevée que celle le long des plans. Cependant, cela n'est probablement pas suffisant pour expliquer le facteur mesuré réel de 65. "Nous ne comprenons pas encore complètement les propriétés de transport de charge dans ce matériau et voulons les étudier plus avant, " ajoute Merschjann. Chez ULLAS/HZB à Wannsee, le laboratoire d'analyse utilisé après JULiq, la configuration est en cours de préparation pour de nouvelles expériences pour accomplir cela.

« TGCN est donc le meilleur candidat à ce jour pour remplacer les semi-conducteurs inorganiques courants comme le silicium et leurs dopants cruciaux, dont certains sont des éléments rares, " dit Bojdys. " Le processus de fabrication que nous avons développé dans mon groupe à Humboldt-Universität, produit des couches plates de TGCN semi-conducteur sur un substrat de quartz isolant. Cela facilite la mise à l'échelle et la fabrication simple d'appareils électroniques."