可導電的新型金屬有機框架材料,是可能的下一代半導體

2020-12-28 騰訊網

蘇拉夫·薩哈的金屬有機框架研究於2020年3月18日登上ACS Applied Materials&Interfaces封面。圖片:Sourav Saha

金屬有機框架(MOF,metal-organic framework)是新興的多功能材料,它們正逐漸退出實驗室並進入無數實際應用中。例如,MOF可以存儲危險氣體、催化化學反應、以受控方式遞送藥物,甚至可以用於可充電電池和太陽能電池。

克萊姆森大學(Clemson University)科學學院的一組研究人員最近證明,部分氧化形式的新型雙螺旋MOF體系結構可以導電、有可能使其成為下一代半導體。

該團隊的發現在2020年3月18日作為封面文章發表在Applied Materials&Interfaces,美國化學學會出版的期刊。

MOF由通過有機配體連接的金屬離子陣列組成。原子工程設計非常精確,它們具有通常構成多孔結構的高度有序的重複單元。

自20多年前建立第一個MOF以來,全世界的研究人員已經創建了20000多種由多種金屬和有機配體製成的MOF。

根據化學副教授蘇拉夫·薩哈(Sourav Saha)的說法,大多數現有的MOF由線性或平面配體組成。但是,Saha和他的團隊將一種蝴蝶狀的凸配體引入到MOF中,從而產生了一種新穎的雙螺旋結構,該結構一旦被客體碘分子部分氧化,就能夠導電。

薩哈說:「這種蝶形的延伸的四硫富瓦烯(ExTTF)配體已經為化學界了解了一段時間,但之前尚未被摻入MOF中。通過將其引入雙螺旋MOF中,我們可以創建沿相鄰鏈的接縫延伸的獨特的S形電荷傳輸路徑。當每條雙螺旋鏈的一側的ExTTF配體被碘氧化,其他的保持中性,它們沿著接縫形成分子間的電荷轉移鏈。電子可以沿著分子間途徑流動,從而使MOF更具導電性。」

克萊姆森化學研究人員最近展示了一種能夠導電的新型雙螺旋MOF結構。團隊成員是(從右到左)研究生保拉·貝納維德斯(Paola Benavides)和莫妮卡·戈迪略(Monica Gordillo),教師蘇拉夫·薩哈和博士後研究員迪利普·潘達(Dillip Panda)。圖片:克萊姆森科技學院

薩哈博士研究小組的化學研究生莫妮卡·戈迪略通過溶劑熱法,通過按一定比例混合鋅鹽和ExTTF配體,合成了雙螺旋MOF。然後,她在約65℃的烤箱中將混合物加熱24小時。

「我們得到了這些美麗的板狀橙色晶體。」戈迪略說:「為獲得這種令人興奮的材料,我們調整了合成條件,改變了溶劑的比例,配體與金屬(鋅)離子的比例以及溫度。」

為了創建能夠導電的電荷傳輸路徑,她將碘蒸氣擴散到多孔MOF中,導致一根鏈變得缺乏電子,而另一根保持富電子。

與由矽、鎵或砷製成的常規無機半導體相比,導電MOF可能具有某些優勢。而傳統的無機半導體在邏輯門、存儲晶片和其他電子應用中無處不在。例如,常規半導體是在500到1000℃之間的溫度下合成的。

薩哈說:「另一方面,可以用比無機半導體更節能的方式製造MOF。它們可以在室溫至150℃之間合成,同時保持傳統半導體具有的高度有序的晶體結構。」

薩哈和他的團隊計劃繼續開發具有不同幾何形狀、組成和功能的新MOF體系結構,這些體系結構可以在未來的電子、能量轉換和存儲設備中應用。

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