Nieuwe aanpak voor het afstemmen van de stroomstroom in 2D MOF-nanosheets is veelbelovend voor geavanceerde elektronica

Onderzoekers onder leiding van prof. Cunlan Guo van de Universiteit van Wuhan hebben een nieuwe aanpak ontwikkeld om de elektrische eigenschappen van tweedimensionale (2D) metaal-organische raamwerken (MOF’s), met name porfyrine 2D MOF-nanosheets, te beheersen door moleculaire heterojuncties te construeren die afstembaar rectificatiegedrag vertonen . Hun bevindingen zouden een grote impact kunnen hebben op de ontwikkeling van toekomstige functionele elektronische apparaten.

In deze studie gepubliceerd in Geavanceerde elektronische materialencombineerde het team 2D ​​MOF-nanosheets, gemaakt van tetrakis (4-carboxyfenyl) porfyrine (TCPP) en verschillende metaalionen, met oligofenyleenthiol (OPT) zelf-geassembleerde monolagen (SAM’s) om heterojuncties te vormen.

Door de moleculaire lengte van de OPT-moleculen en het metaalcentrum van de MOF’s aan te passen, konden ze de rectificatieverhouding (RR) van de resulterende apparaten verfijnen, wat een veelzijdige strategie biedt voor het reguleren van elektrisch gedrag op moleculair niveau.

Met name werd een opmerkelijke rectificatieverhouding van meer dan 1,67 ordes van grootte bereikt met de combinatie van Zn-TCPP MOF-nanosheet en OPT3 SAM. Dit werk opent nieuwe wegen voor het ontwerp van MOF-gebaseerde elektronische apparaten zonder de noodzaak van uitgebreide synthetische aanpassingen.

Het concept van gelijkrichting – waarbij stroom gemakkelijker in de ene richting vloeit dan in de andere – is essentieel voor het functioneren van veel elektronische apparaten, van diodes tot transistors. Traditioneel was het creëren van dergelijk gedrag in materialen zoals MOF’s een uitdaging vanwege hun lage geleidbaarheid.

Door echter gebruik te maken van de flexibele moleculaire structuren van MOF’s en hun inherente vermogen om te interageren met verschillende organische liganden, heeft het onderzoeksteam een ​​nieuwe methode geïntroduceerd om deze eigenschappen te controleren.

De resulterende moleculaire heterojuncties vertonen asymmetrische stroom-spanningskarakteristieken (IV), een kenmerk van rectificatie. Door de moleculaire lengte van de OPT en het type metaal in de MOF aan te passen, konden de onderzoekers de uitlijning van de energieniveaus op het grensvlak van de twee materialen manipuleren. Dit creëert een asymmetrie in het ladingstransport, waardoor nauwkeurige controle over het rectificatiegedrag mogelijk is, dat kan worden afgestemd op specifieke toepassingen.

Het gebruik van Kelvin-sondekrachtmicroscopie (KPFM) en berekeningen van de eerste principes door het team leverden cruciale inzichten op in de uitlijning van het energieniveau op het grensvlak, waardoor een dieper begrip mogelijk werd van hoe moleculaire en metaaleigenschappen het ladingstransport beïnvloeden.

De potentiële toepassingen van deze moleculaire heterojuncties zijn enorm en reiken veel verder dan het traditionele gebruik van MOF’s. De mogelijkheid om rectificatieverhoudingen te manipuleren door middel van eenvoudige moleculaire aanpassingen biedt bijvoorbeeld een opwindend traject voor het ontwerpen van functionele elektronische apparaten van de volgende generatie, zoals sensoren, transistors en gelijkrichters, allemaal gebaseerd op MOF-materialen.

Door aan te tonen dat het rectificatiegedrag ook kan worden gemoduleerd via de metaalcoördinatie in TCPP – zoals door ijzer (Fe) in de structuur op te nemen – hebben de onderzoekers een belangrijke strategie benadrukt voor het verfijnen van de elektrische kenmerken van MOF’s.

Deze bevindingen kunnen ook de weg vrijmaken voor toekomstige innovaties op het gebied van energieopslag, katalyse en moleculaire elektronica, waarbij nauwkeurige controle over elektrische eigenschappen van cruciaal belang is. Het succes van dit werk onderstreept de veelbelovende toekomst van MOF-gebaseerde elektronica, die een flexibel, afstembaar raamwerk biedt voor de ontwikkeling van geavanceerde apparaten met op maat gemaakt elektrisch gedrag.