二維導電金屬有機框架（2D c-MOFs）材料是一類新興的晶態多孔材料，在電化學傳感、電催化、儲能等領域展現出廣泛的應用前景。天津大學陳龍教授課題組系統地介紹了2D c-MOFs材料在有機電子學及自旋電子學領域的最新研究進展，並指出了該研究方向目前所面臨的主要挑戰和未來發展前景。
近年來，越來越多的多功能電子器件（如電晶體、二極體、傳感器等）走進了我們的日常，使我們的工作與生活更加便利、高效。科學家們將各種活性材料（如碳材料、無機二維材料、有機半導體材料等）集成到電子器件中，以獲得優異的器件性能。金屬有機框架（MOFs）材料一般由有機配體和金屬節點按拓撲學規律連接而成，可應用於氣體存儲與分離、傳感、催化等領域。然而，已知的大部分傳統MOFs材料電導率低，甚至為絕緣體。2012年，Yaghi團隊報導了首例2D c-MOFs（M3HHTP2, M = Co, Ni, Cu），突破了傳統MOFs材料電導率低的瓶頸。自此，2D c-MOFs成為了一個新的研究方向。2D c-MOFs材料具有結構可設計、易調控的優點，同時兼具高結晶度、多孔性和良好的導電性。由於這些特性，2D c-MOFs材料在能源存儲、光/電催化、電化學傳感、磁性材料、超導等領域均展現出巨大的應用潛力(見下圖)。
天津大學陳龍教授課題組對二維導電金屬有機框架材料在有機電子學/自旋電子學領域的應用進展進行了綜述。電荷和自旋是電子同時具有的兩個內稟屬性。該綜述重點討論了2D c-MOFs的電學性質、磁性、量子特性，小結了其在半導體、超導體、拓撲絕緣體、分子磁體等新興電子學和自旋電子學領域的潛在應用。2D c-MOFs的發展將為凝聚態物理、材料科學、納米科技等領域增添新的活力。
雖然2D c-MOFs材料在有機電子學和自旋電子學領域取得了一些有趣的進展，但仍面臨諸多挑戰亟待解決：（1）對2D c-MOFs框架結構的有序程度和堆積層數的精確控制仍是目前所面臨的最大挑戰之一；（2）雖然2D c-MOFs基本克服了傳統MOFs材料導電性差的不足，但其電荷/自旋輸運的機制尚不清楚；（3）此外，2D c-MOFs材料在苛刻條件下（如強酸、強鹼、高溫環境等）的穩定性和其高質量薄膜的製備工藝仍需進一步提升。
未來工作中，在以下幾個方面的努力將進一步推動2D c-MOFs材料的發展：（1）設計合成新穎的功能化共軛有機配體以及選取與之匹配的金屬離子，構建具有新型拓撲結構的框架，以期展現出更多新穎、豐富的性質；（2）優化合成方法，製備高結晶性的2D c-MOFs單晶或薄膜，進一步提高材料穩定性並改善電荷/自旋輸運性能。通過摻雜或後修飾合成的策略來實現電子結構的有效調控；（3）結合界面聚合、電化學沉積、溶劑熱等手段優化製備高質量2D c-MOFs薄膜的方法，改善器件構築工藝；（4）與性能優異的其它二維材料製備具有異質結構的2D c-MOFs複合材料也將為多功能電子器件領域的發展帶來新契機。
該綜述近日在線發表於SCIENCE CHINA Chemistry。詳見:Xiaoyu Song, Jingjuan Liu, Ting Zhang, Long Chen. 2D conductive metal-organic frameworks for electronics and spintronics. Sci. China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9791-2.
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陳龍，天津大學教授/博導，主要從事二維共軛高分子功能材料的設計、合成與性能研究。在高效構築二維高分子的新策略及發展穩定晶態二維高分子的新方法、可控制備高質量二維高分子薄膜及其器件化應用等方面取得了一些進展；近年來以第一/通訊作者在Chem. Soc. Rev.、CCS Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊發表論文60餘篇，SCI他引5000餘次；曾獲德國洪堡基金學者、基金委優秀青年科學基金、科技部重點研發計劃青年項目的資助。