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新型金属有机框架:有望成为新一代半导体

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  • 发布时间:2020-03-31 14:53
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【概要描述】Saha说:“这种蝶形延伸的四硫富瓦烯(ExTTF)配体已被化学界所了解,但之前尚未被掺入MOF中。通过将其引入双螺旋MOF中,可以创建沿相邻链的接缝延伸的独特的S形电荷传输途径。当每条双螺旋链的一侧的ExTTF配体被氧化时,碘会被氧化。其他的保持中性,它们沿着接缝形成分子间的电荷转移链。电子可以以分子间的方式沿着这种途径流动,从而使MOF具有导电性。”

新型金属有机框架:有望成为新一代半导体

【概要描述】Saha说:“这种蝶形延伸的四硫富瓦烯(ExTTF)配体已被化学界所了解,但之前尚未被掺入MOF中。通过将其引入双螺旋MOF中,可以创建沿相邻链的接缝延伸的独特的S形电荷传输途径。当每条双螺旋链的一侧的ExTTF配体被氧化时,碘会被氧化。其他的保持中性,它们沿着接缝形成分子间的电荷转移链。电子可以以分子间的方式沿着这种途径流动,从而使MOF具有导电性。”

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金属有机框架(MOF)是新兴的多功能材料,正在逐步从实验室走向商业应用。例如,MOF可以存储危险气体,催化化学反应,以受控方式递送药物,甚至可以用于可充电电池和太阳能电池。

克莱姆森大学科学学院的研究人员最近证明,部分氧化形式的新型双螺旋MOF体系结构可以导电,有可能使其成为下一代半导体。

该团队的发现2020年3月18日发表在美国化学学会出版的期刊《Applied Materials&Interfaces》上,标题为《The Advent of Electrically Conducting Double-Helical Metal-Organic Frameworks Featuring Butterfly-Shaped Electron-Rich π-Extended Tetrathiafulvalene Ligands》。

MOF由通过有机配体连接的金属离子阵列组成。原子工程设计非常精确,它们具有构成多孔结构的高度有序的重复单元。自20多年前建立第一部MOF以来,全世界的研究人员已经创建了20,000多种由多种金属和有机配体制成的MOF 。

根据化学副教授Sourav Saha的说法,大多数现有的MOF由线性或平面配体组成。但是,Saha和他的团队将一种蝴蝶状的凸配体引入到MOF中,从而产生了一种新颖的双螺旋结构,该结构一旦被客体碘分子部分氧化,就能够导电。

Saha说:“这种蝶形延伸的四硫富瓦烯(ExTTF)配体已被化学界所了解,但之前尚未被掺入MOF中。通过将其引入双螺旋MOF中,可以创建沿相邻链的接缝延伸的独特的S形电荷传输途径。当每条双螺旋链的一侧的ExTTF配体被氧化时,碘会被氧化。其他的保持中性,它们沿着接缝形成分子间的电荷转移链。电子可以以分子间的方式沿着这种途径流动,从而使MOF具有导电性。”

Saha博士研究小组的化学研究生Monica Gordillo采用热溶剂法,通过按一定比例混合锌盐和ExTTF配体,合成了双螺旋MOF。然后,在约65摄氏度的烤箱中将混合物加热24小时。“我们得到了这些美丽的板状橙色晶体,” Gordillo说。“为获得这种材料,我们调整了合成条件,改变了溶剂的比例,配体与金属(锌)离子的比例以及温度。”为了创建能够导电的电荷传输路径,将碘蒸气扩散到多孔MOF中,导致一根链变得缺乏电子,而另一根保持富电子。

与由硅、镓或砷化物制成的常规无机半导体相比,导电MOF可能具有一些优势,而传统的无机半导体在逻辑门、存储芯片和其他电子应用中无处不在。例如,常规半导体是在500到1,000摄氏度之间的温度下合成的。

Saha说:“另一方面,可以用比无机半导体更节能的方式制造MOF。它们可以在室温至150摄氏度之间的任何位置合成,同时保持传统半导体具有的高度有序的晶体结构。”

Saha和他的团队计划继续开发具有不同几何形状,成分和功能的新型MOF体系结构,这些体系结构可以在未来的电子、能量转换和存储设备中应用。

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