Dunne MOF geleidt als metaal

Metaal-organische raamwerken (MOF’s) worden gekenmerkt door een hoge porositeit en structurele veelzijdigheid. Ze hebben een enorm potentieel, bijvoorbeeld in de elektronica. Hun lage elektrische geleidbaarheid heeft hun toepassing echter tot nu toe sterk beperkt. Met behulp van AI en robotgestuurde synthese in een zelfrijdend laboratorium zijn onderzoekers er nu in geslaagd een dunne MOF-film te produceren die elektriciteit geleidt zoals metalen.

De onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT), samen met collega’s in Duitsland en Brazilië, rapporteren in het tijdschrift Materials Horizons.

MOF’s bestaan ​​uit metaalclusters en organische linkers. Ze kunnen onder andere worden gebruikt voor katalyse, materiaalscheiding en gasopslag. Hoewel de geleidbaarheid van metaal theoretisch is voorspeld, is deze tot nu toe slechts in uitzonderlijke gevallen in de praktijk gebracht – en nog nooit eerder in dunnefilmvorm, zoals vereist voor technische toepassingen, waarbij dunne MOF-films op een substraat worden aangebracht.

“De lage elektrische geleidbaarheid wordt veroorzaakt door defecten zoals grenzen tussen kristallijne domeinen”, aldus Christof Wöll van het KIT. “Dergelijke structurele defecten belemmeren het elektronentransport. Ons nieuwe productieproces heeft ons geholpen de dichtheid van deze defecten aanzienlijk te verminderen.”

Het team gebruikte AI- en robot-ondersteunde synthese om dunne films van het Cu3(HHTP)2 MOF-materiaal te optimaliseren. Geleidbaarheden van meer dan 200 Siemens per meter werden bereikt bij kamertemperatuur – en hogere bij -173,15 graden Celsius. Dit is een kenmerk van metaalgedrag en maakt de weg vrij voor het gebruik van dunne MOF-films in elektronische componenten.

Ongebruikelijke transportverschijnselen

Theoretische analyse toont ook aan dat het Cu3(HHTP) 2 MOF-materiaal Dirac-kegels bevat – speciale elektronische toestanden zoals die in grafeen voorkomen. “Dit opent volledig nieuwe mogelijkheden voor de experimentele verkenning van ongewone transportverschijnselen zoals spinvloeistoffen, waarin de kwantumspins zelfs bij lage temperaturen ongeordend blijven, of Klein-tunneling, met andere woorden het door tunnelen van barrières door zeer snelle deeltjes”, aldus Wöll.

Volgens de onderzoekers hebben ze zo niet alleen een nieuwe methode gevonden voor het produceren van geleidende MOF-films voor integratie in elektronische componenten, maar maken ze MOF’s ook tot een nieuwe optie in vele 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 instelbare elektronische eigenschappen”, aldus Wöll.