Metaal-organische frameworks met metalen geleidbaarheid banen nieuwe paden voor elektronica en energieopslag

Metaal-organische frameworks (MOF’s) worden gekenmerkt door hoge porositeit en structurele veelzijdigheid. Ze hebben een enorm potentieel, bijvoorbeeld voor toepassingen in elektronica. Hun lage elektrische geleidbaarheid heeft hun adoptie tot nu toe echter sterk beperkt.

Met behulp van AI en robotondersteunde synthese in een zelfrijdend laboratorium, zijn onderzoekers van Karlsruhe Institute of Technology (KIT), samen met collega’s in Duitsland en Brazilië, er nu in geslaagd een MOF dunne film te produceren die elektriciteit als metalen uitvoert. Dit opent nieuwe mogelijkheden in elektronica en energieopslag – van sensoren en kwantummaterialen tot functionele materialen.

Het team Rapporten over dit werk in de Materialen horizon tijdschrift.

MOF’s (metaal-organische frameworks) bestaan ​​uit metalen clusters en organische linkers. Ze kunnen onder andere worden gebruikt voor katalyse, materiaalscheiding en gasopslag. Onderzoekers van het Institute of Functional Interfaces (IFG) en het Institute of Nanotechnology (INT) bij Kit, evenals de Universiteit van Göttingen, de Free University of Berlin, en de São Paulo State University in Brazilië, hebben nu een grote doorbraak bereikt. Voor het eerst hebben ze een MOF geproduceerd in de vorm van een dunne film die metalen geleidbaarheid vertoont.

Nieuw productieproces minimaliseert defecten in MOF’s

Hoewel metalen geleidbaarheid in MOF’s theoretisch is voorspeld, is het tot nu toe alleen in uitzonderlijke gevallen in de praktijk gebracht-en nooit eerder in de dunne-filmvorm die nodig is voor technische toepassingen, waarbij dunne films van de MOF op een substraat worden toegepast.

“De lage elektrische geleidbaarheid wordt veroorzaakt door defecten zoals grenzen tussen kristallijne domeinen”, legt professor Christof Wöll uit, hoofd van IFG bij Kit. “Dergelijke structurele defecten belemmeren elektrontransport. Ons nieuwe productieproces heeft ons geholpen om de dichtheid van deze defecten aanzienlijk te verminderen.”

Het internationale onderzoeksteam gebruikte AI- en robotondersteunde synthese in een zelfrijdend laboratorium om dunne films van de CU te optimaliseren₃(HHTP)₂ MOF -materiaal. Deze benadering maakt nauwkeurige controle mogelijk over kristalliniteit en domeingrootte. In Cu₃(HHTP)₂ Dunne films, geleidbaarheid van meer dan 200 Siemens per meter werden bereikt bij kamertemperatuur – en zelfs hogere bij lage temperaturen van min 173,15 graden Celsius. Dit is een kenmerk van metaalgedrag, die de weg vrijmaakt voor het gebruik van MOF dunne films in elektronische componenten.

Geoptimaliseerde MOF maakt verkenning van ongebruikelijke transportfenomenen mogelijk

Theoretische analyse onthult ook dat de Cu₃(HHTP)₂ MOF -materiaal heeft dirac -kegels – specifieke elektronische toestanden zoals die in grafeen.

“Dit opent volledig nieuwe mogelijkheden voor de experimentele verkenning van ongebruikelijke transportfenomenen zoals spinvloeistoffen, waarbij de kwantumspins zelfs bij lage temperaturen of Kleintunneling blijven, of andere woorden, tunneling door barrières door zeer snelle deeltjes,” zegt Wöll.

Met hun onderzoek presenteren de onderzoekers niet alleen een nieuwe methode voor het produceren van geleidende MOF -films voor integratie in elektronische componenten, maar maken MOFS een nieuwe optie in veel nieuwe toepassingsgebieden.

“De combinatie van geautomatiseerde synthese, voorspellende materiaalkarakterisering en theoretische modellering opent nieuwe perspectieven voor het gebruik van MOF’s in toekomstige elektronica-van sensoren en kwantummaterialen tot op maat gemaakte functionele materialen met specifiek verstelbare elektronische eigenschappen,” zegt Wöll.