可導電的新型金屬有機框架材料,是可能的下一代半導體

2021-01-15 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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