一種二維MOFs材料中實現了高遷移率的帶狀電荷傳輸

一種二維MOFs材料中實現了高遷移率的帶狀電荷傳輸

硅、鍺或砷化鎵等無機半導體材料是現代電子產品的核心，被廣泛應用在計算機芯片、LED、光伏等電子器件中。然而，這些應用對無機半導體材料的純度和高結晶度有著很高的要求，例如太陽能級高純硅一般至少要6個9以上的純度，而芯片級的硅純度更是高達11個9。



無機半導體的高純度和高結晶度往往需要高溫等苛刻的條件才能實現，這就意味著其成本較高。相比之下，可以在室溫下合成的有機半導體，就成了潛力較大的低成本替代物。不過事情并沒有那么簡單，有機半導體雖然具有顯著的成本優勢，但低溫處理導致的缺陷和無序，使其導電性能遠遠比不上無機半導體。事實上，大多數有機材料都是電的絕緣體。



近日，由德國馬普高分子所、德累斯頓工業大學等機構科學家組成的研究團隊首次在一種二維MOFs材料中實現了高遷移率的帶狀電荷傳輸，意味著有機半導體材料有望可以像無機半導體材料那樣在電子器件中大顯身手。相關研究成果于近日在線發表在Nature Materials期刊上。（“High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework”）



此前研究中制備的大多數MOFs雖然也是晶體，但是導電性很差或者根本不導電，這主要是因為所用的金屬中心配位的有機配體具有絕緣特性。

一種二維MOFs材料中實現了高遷移率的帶狀電荷傳輸

2D MOF膜的TEM圖像和結構示意圖（灰色、黃色和橙色分別是碳，硫和鐵原子）



由德累斯頓工業大學馮新亮教授領導的團隊，在室溫下開發的這種新型2D金屬-有機骨架材料MOF，采用了導電的三角形有機配體，與方形平面Fe原子節點配位，從而在具有高結晶度的同時，獲得了很好的導電性。



據研究人員表示這些2D MOF構件可高度定制，在室溫下就可以自組裝成僅有原子厚度的高度有序的2D半導體材料，同時理論上其電子遷移率、帶隙、導電性都可以通過適當的化學設計來控制。此外，這種MOF平面幾何形狀與石墨烯十分相似，因此理論上其在2D平面內傳輸電流的性能應該也不會差。

一種二維MOFs材料中實現了高遷移率的帶狀電荷傳輸

類石墨烯2D MOF詳細結構



由德國馬普高分子所Enrique Cánovas 領導的團隊對這種新型2D MOFs進行了THz光譜表征，這是一種用來在超快時間尺度（10-12秒）上表征樣品電導率的工具，測量距離短至10-9米，同時無需添加金屬觸點。



這些特性使得THz光譜能夠用來表征這種新型2D MOF材料電導率與頻率的相關性，結果表明其與高度結晶的硅半導體一樣，遵循Drude模型。在Drude模型中，當施加電壓時，電子可以非常容易地在非常長的距離上移動。



“根據Drude模型，對這種新型2D MOFs中的太赫茲光譜進行解析，我們推斷，其電子遷移率超過此前絕緣MOFs的10000倍以上。“Enrique Canovas博士表示。這意味著這種2D MOFs其擁有媲美無機半導體一樣的導電性能,為探索MOFs作為電子設備中的有源元件開辟了道路。



這項研究提出的可高度定制的導電MOF為低成本MOF在多種新型電子設備中的應用開辟了道路，例如可以作為薄膜光電器件的活性材料。同時，這種2D MOF材料的化學和結構可調性，提供了無限的想象空間，可用于開發各種基于MOF的功能器件。不過作者也提到，這種新型2D MOF化學成分、電子結構、電導率和電荷載流子遷移率之間的可靠相關性還有待進一步研究確認。

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