导读：石墨烯在面内进行电荷传递，碳化氮聚合物半导体在垂直面方向上传播，与石墨烯传播方式互补，揭示了电荷传递新方式，给人新的遐想空间。
碳化氮聚合物是一类有趣的聚合物光电材料。作为一种廉价的光催化剂，它可以利用太阳光以促进水的裂解。亥姆霍兹联合会、罗斯托克大学和柏林自由大学以及其他合作伙伴的联合研究首次探究了光如何在这种材料中产生电荷载体并确认了电荷迁移率和寿命的细节。研究中，研究员发现了碳化氮聚合物让他们大吃一惊的特性，这些特性提供了其新应用的前景，例如和石墨烯联合使用。
碳化氮聚合物是通过有机化合物合成的一种黄色纳米晶体。其晶体结构与石墨结构相似。因为氮化碳基团仅处于一个分子层内，因此只有微弱的范德华力可以将不同分子层之间连接起来。广为人知的是，光可以在这种材料中产生电子-空穴对。因此，目前已经有很多研究试图将聚合氮化碳作为一种经济的用太阳能分解水的光催化剂。但是，非常遗憾的是迄今为止这个工艺的效率依然非常低。
现在，由Christoph Merschjann博士（亥姆霍兹联合会和柏林自由大学）和StefanLochbrunner教授（罗斯托克大学）领导的研究小组已经首次准确地探测了光诱导电荷分离中的变化。“一直以来，在这个过程中，最有趣的都是电荷基本上都向一个方向传输，与类石墨层相垂直”Merschjann解释到。随后，光产生的电子-空穴对向相反的方向迁移。用飞秒光谱学以及其他光谱学方法，研究人员可以确定电荷载体的第一定量流动性并测定其寿命。这表明电荷迁移率接近其在常规有机半导体材料中的水平。此外，在重组之前，电荷载体有较长的寿命。
碳化氮聚合物不仅无毒、经济，而且因为它们的化学性质上非常稳定并能承受高达500℃左右的温度，因此它们也非常耐用。因此，由这一类化合物组成的组分可能被用于不适合于现有的有机电子产品的环境。尽管非常有趣，Merschjann发现了将这些材料固定在有序基板（如石墨烯）上的前景。这是因为石墨烯具有非常高的面内传导率，而碳氮化物主要是将电荷垂直传导到石墨层上。“碳氮化物无需害怕与传统有机半导体材料的竞争。与此相反，利用其一维半导体特性，可以构建一种全新的完全有机光电元件，”Merschjann希望。他目前正在开展一个在柏林自由大学的由DFG资助的直接测量电荷载体的研究项目。
背景知识
半导体光催化技术通过太阳光驱动一系列重要的化学反应，将低密度的太阳能转化为高密度的化学能或直接降解和矿化有机污染物，在解决能源短缺和环境污染等问题方面具有重要的应用前景。最近，聚合物半导体石墨相氮化碳（g-C3N4），由于优异的化学稳定性和独特的电子能带结构，被作为一种廉价、稳定、不含金属组分的可见光光催化剂广泛应用于太阳能的光催化转化，如光解水产氢产氧、有机选择性光合成和有机污染物的降解等，引起人们的关注。
Christoph Merschjann, Stefanie Tschierlei, Tobias Tyborski, Kamalakannan Kailasam, Steven Orthmann, Dirk Hollmann, Thomas Schedel-Niedrig, Arne Thomas, Stefan Lochbrunner. Complementing Graphenes: 1D Interplanar Charge Transport in Polymeric Graphitic Carbon Nitrides. Advanced Materials, 2015; DOI: 10.1002/adma.201503448。
翻译自：sciencedaily，本文来源微信公众号：高分子科学前沿（ID：Polymer-science），仅供参考学习。