Neue Materialklassen für die organische Elektronik

Elektron-Loch-Paar

Ladungsträger nehmen stets den Weg senkrecht zu den Ebenen, dies zeigte die Gruppe um Merschjann: Dabei erzeugt Licht ein Elektron-Loch-Paar. Umgekehrt kommt es beim Aufeinandertreffen von Elektron und Loch unter bestimmten Voraussetzungen (Bildung eines Singlet-Exzitons) zur Abgabe von Licht (Fluoreszenz). Im Hintergrund ist ein Graphennetz angedeutet.

Eine Kooperation von Forschern des HZB, der Universität Rostock sowie der Freien Universität Berlin und anderer Partner hat herausgefunden, wie der Ladungstransport in polymeren Kohlenstoffnitriden funktioniert. Sie könnten als preisgünstiger Photokatalysator die Spaltung von Wasser mit Sonnenlicht befördern.

Polymere Kohlenstoffnitride sind organische Verbindungen, die als gelbes Pulver aus Myriaden von Nanokristallen synthetisiert werden. Die kristalline Struktur ähnelt der von Graphit, denn die Kohlenstoffnitrid-Gruppen sind nur in der Ebene chemisch verbunden, während zwischen den Ebenen nur schwache „Van-der-Waals-Kräfte“ für den Zusammenhalt sorgen. Dass Licht in dieser Materialklasse ein Elektron-Loch-Paar erzeugen kann, war bereits bekannt. So gab es schon zahlreiche Versuche, polymere Kohlenstoffnitride als preiswerte Photokatalysatoren für die solare Wasserspaltung einzusetzen, allerdings ist die Effizienz bislang vergleichsweise gering. Das Team um Dr. Christoph Merschjann, der am HZB Institut Methoden der Materialentwicklung sowie an der Freien Universität Berlin tätig ist, und Prof. Dr. Stefan Lochbrunner von der Universität Rostock hat erstmals einen genauen Blick in die Prozesse bei der lichtinduzierten Ladungstrennung geworfen. Die Kooperation wurde durch das Cluster-Projekt „Light2Hydrogen“ initiiert. Ziel dieses von 2010 bis 2014 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Projekts war die Entwicklung der Grundlagen für eine Technologie auf photokatalytischer Basis, die mittels Sonnenlicht eine direkte Herstellung von Wasserstoff aus Wasser erlaubt, sowie deren erste technische Realisierung ermöglicht.

Licht erzeugt Ladungsträger

„Das interessanteste Ergebnis ist, dass Ladungen bei den von uns untersuchten Prozessen praktisch nur entlang einer Dimension transportiert werden, und zwar senkrecht zu den graphitähnlichen Schichten“, erklärt Merschjann. Dabei erzeugt Licht ein Elektron-Loch-Paar, das sich anschließend in entgegengesetzte Richtungen auseinanderbewegt. Mit Hilfe von Femtosekundenspektroskopie sowie weiteren spektroskopischen zeitaufgelösten Methoden konnten die Forscher erstmals quantitativ Beweglichkeit und Lebensdauer der Ladungsträger bestimmen. Dabei zeigte sich, dass die Beweglichkeit ähnliche Werte wie in konventionellen organischen Halbleitermaterialien erreicht. Darüber hinaus bleiben die Ladungsträger lange erhalten, bevor sie rekombinieren. Polymere Kohlenstoffnitride sind ungiftig, günstig und extrem belastbar, da sie chemisch sehr stabil sind und Temperaturen bis circa 500 Grad Celsius standhalten. Bauelemente aus solchen Verbindungen könnten also in Umgebungen eingesetzt werden, die für die heutige organische Elektronik nicht geeignet sind. Besonders interessant findet Merschjann die Perspektive, diese Verbindungen geordnet auf Graphen aufwachsen zu lassen. Denn Graphen besitzt eine extrem hohe Leitfähigkeit in der Ebene, während die Kohlenstoffnitride im Wesentlichen nur senkrecht dazu leitfähig sind. „Die Kohlenstoffnitride müssen den Vergleich mit konventionellen organischen Halbleitermaterialien nicht scheuen – im Gegenteil: mit ihrer Eigenschaft als quasi eindimensionale Halbleiter könnten sich ganz neuartige vollorganische optoelektronische Bauelemente realisieren lassen“, hofft Merschjann, der sich im aktuellen DFGgeförderten Forschungsprojekt an der FU Berlin mit dem direkten Nachweis der Ladungsträger beschäftigt.


Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201503448): Complementing Graphenes: 1D Interplanar Charge Transport in Polymeric Graphitic Carbon Nitrides; C. Merschjann et. al