可导电的新型金属有机框架材料，是可能的下一代半导体
2020-03-25 09:00:28   来源：东方头条   

苏拉夫·萨哈的金属有机框架研究于2020年3月18日登上ACS Applied Materials＆Interfaces封面。图片：Sourav Saha

金属有机框架（MOF，metal-organic framework）是新兴的多功能材料，它们正逐渐退出实验室并进入无数实际应用中。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（Clemson University）科学学院的一组研究人员最近证明，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。

该团队的发现在2020年3月18日作为封面文章发表在Applied Materials＆Interfaces，美国化学学会出版的期刊。

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，它们具有通常构成多孔结构的高度有序的重复单元。

自20多年前建立第一个MOF以来，全世界的研究人员已经创建了20000多种由多种金属和有机配体制成的MOF。

根据化学副教授苏拉夫·萨哈（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。

萨哈说：“这种蝶形的延伸的四硫富瓦烯（ExTTF）配体已经为化学界了解了一段时间，但之前尚未被掺入MOF中。通过将其引入双螺旋MOF中，我们可以创建沿相邻链的接缝延伸的独特的S形电荷传输路径。当每条双螺旋链的一侧的ExTTF配体被碘氧化，其他的保持中性，它们沿着接缝形成分子间的电荷转移链。电子可以沿着分子间途径流动，从而使MOF更具导电性。”

克莱姆森化学研究人员最近展示了一种能够导电的新型双螺旋MOF结构。团队成员是（从右到左）研究生保拉·贝纳维德斯（Paola Benavides）和莫妮卡·戈迪略（Monica Gordillo），教师苏拉夫·萨哈和博士后研究员迪利普·潘达（Dillip Panda）。图片：克莱姆森科技学院

萨哈博士研究小组的化学研究生莫妮卡·戈迪略通过溶剂热法，通过按一定比例混合锌盐和ExTTF配体，合成了双螺旋MOF。然后，她在约65℃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。”戈迪略说：“为获得这种令人兴奋的材料，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，她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、镓或砷制成的常规无机半导体相比，导电MOF可能具有某些优势。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1000℃之间的温度下合成的。

萨哈说：“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℃之间合成，同时保持传统半导体具有的高度有序的晶体结构。”

萨哈和他的团队计划继续开发具有不同几何形状、组成和功能的新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。