Le nitrure de carbone polymère est un matériau organique aux propriétés optoélectroniques intéressantes. En tant que photocatalyseur bon marché, il peut être utilisé pour faciliter le fractionnement de l'eau en utilisant la lumière du soleil. Une coopération a maintenant étudié pour la première fois comment la lumière crée des porteurs de charge dans cette classe de matériaux et a établi des détails sur la mobilité et la durée de vie des charges. Ils ont découvert des caractéristiques surprenantes dans leurs investigations qui ouvrent des perspectives pour de nouvelles applications, en association avec le graphène par exemple.

Les nitrures de carbone polymères sont des composés organiques synthétisés pour former une poudre jaune d'une myriade de nanocristaux. La structure cristalline ressemble à celle du graphite car les groupes nitrure de carbone ne sont liés chimiquement qu'en couches, tandis que de faibles forces de Van der Waals assurent la cohésion entre ces couches. On savait déjà que la lumière est capable de créer une paire électron-trou dans cette classe de matériaux. Ainsi, il y a déjà eu de nombreuses tentatives pour utiliser des nitrures de carbone polymères en tant que photocatalyseurs rentables pour la séparation de l'eau à l'énergie solaire. Cependant, les niveaux d'efficacité sont restés jusqu'à présent relativement faibles.

La lumière crée des porteurs de charge

Aujourd'hui, une équipe dirigée par le Dr Christoph Merschjann (HZB et Freie Universität Berlin) et le professeur Stefan Lochbrunner (Université de Rostock) ont pour la première fois sondé avec précision les processus se produisant lors de la séparation de charge induite par la lumière. "Le résultat le plus intéressant a été que les charges ne sont fondamentalement transportées que le long d'une dimension au cours de ce processus, perpendiculairement aux couches de type graphite", explique Merschjann. La lumière crée une paire électron-trou qui migre ensuite dans des directions opposées. En utilisant la spectroscopie femtoseconde ainsi que d'autres méthodes spectroscopiques dans le domaine temporel, les chercheurs ont pu effectuer les premières mesures quantitatives de mobilité et de durée de vie sur les porteurs de charge. Cela a révélé que la mobilité des charges atteint des valeurs similaires à celles des matériaux semi-conducteurs organiques conventionnels. De plus, les porteurs de charge ont une longue durée de vie avant de se recombiner à nouveau.

Nouveau matériau pour l'électronique organique

Les nitrures de carbone polymères sont non seulement non toxiques et économiques, ils sont également extrêmement durables car ils sont chimiquement très stables et peuvent résister à des températures allant jusqu'à environ 500 °C. Les composants constitués de ces types de composés pourraient donc être utilisés dans des environnements inadaptés à l'électronique organique d'aujourd'hui. Merschjann trouve la perspective de cultiver ces composés sur des substrats ordonnés, comme le graphène par exemple, particulièrement intéressant cependant. En effet, le graphène possède une conductivité dans le plan extrêmement élevée, tandis que les nitrures de carbone conduisent principalement perpendiculairement aux feuilles.

"Les nitrures de carbone n'ont pas à craindre la concurrence des matériaux semi-conducteurs organiques conventionnels. Au contraire, des types complètement nouveaux de composants optoélectroniques entièrement organiques pourraient être construits en utilisant leur propriété d'être essentiellement des semi-conducteurs unidimensionnels, " espère Merschjann. Il travaille actuellement à la réalisation de mesures directes des porteurs de charge dans le cadre d'un projet de recherche financé par le DFG à la Freie Universität Berlin.