一種二維MOFs材料中實(shí)現(xiàn)了高遷移率的帶狀電荷傳輸

一種二維MOFs材料中實(shí)現(xiàn)了高遷移率的帶狀電荷傳輸

硅、鍺或砷化鎵等無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料是現(xiàn)代電子產(chǎn)品的核心，被廣泛應(yīng)用在計(jì)算機(jī)芯片、LED、光伏等電子器件中。然而，這些應(yīng)用對(duì)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的純度和高結(jié)晶度有著很高的要求，例如太陽(yáng)能級(jí)高純硅一般至少要6個(gè)9以上的純度，而芯片級(jí)的硅純度更是高達(dá)11個(gè)9。



無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的高純度和高結(jié)晶度往往需要高溫等苛刻的條件才能實(shí)現(xiàn)，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(jī)半導(dǎo)體，就成了潛力較大的低成本替代物。不過(guò)事情并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單，有機(jī)半導(dǎo)體雖然具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，但低溫處理導(dǎo)致的缺陷和無(wú)序，使其導(dǎo)電性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上無(wú)機(jī)半導(dǎo)體。事實(shí)上，大多數(shù)有機(jī)材料都是電的絕緣體。



近日，由德國(guó)馬普高分子所、德累斯頓工業(yè)大學(xué)等機(jī)構(gòu)科學(xué)家組成的研究團(tuán)隊(duì)首次在一種二維MOFs材料中實(shí)現(xiàn)了高遷移率的帶狀電荷傳輸，意味著有機(jī)半導(dǎo)體材料有望可以像無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料那樣在電子器件中大顯身手。相關(guān)研究成果于近日在線發(fā)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(shù)MOFs雖然也是晶體，但是導(dǎo)電性很差或者根本不導(dǎo)電，這主要是因?yàn)樗玫慕饘僦行呐湮坏挠袡C(jī)配體具有絕緣特性。

一種二維MOFs材料中實(shí)現(xiàn)了高遷移率的帶狀電荷傳輸

2D MOF膜的TEM圖像和結(jié)構(gòu)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(yè)大學(xué)馮新亮教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)，在室溫下開(kāi)發(fā)的這種新型2D金屬-有機(jī)骨架材料MOF，采用了導(dǎo)電的三角形有機(jī)配體，與方形平面Fe原子節(jié)點(diǎn)配位，從而在具有高結(jié)晶度的同時(shí)，獲得了很好的導(dǎo)電性。



據(jù)研究人員表示這些2D MOF構(gòu)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(dǎo)體材料，同時(shí)理論上其電子遷移率、帶隙、導(dǎo)電性都可以通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)設(shè)計(jì)來(lái)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(nèi)傳輸電流的性能應(yīng)該也不會(huì)差。

一種二維MOFs材料中實(shí)現(xiàn)了高遷移率的帶狀電荷傳輸

類石墨烯2D MOF詳細(xì)結(jié)構(gòu)



由德國(guó)馬普高分子所Enrique Cánovas 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)對(duì)這種新型2D MOFs進(jìn)行了THz光譜表征，這是一種用來(lái)在超快時(shí)間尺度（10-12秒）上表征樣品電導(dǎo)率的工具，測(cè)量距離短至10-9米，同時(shí)無(wú)需添加金屬觸點(diǎn)。



這些特性使得THz光譜能夠用來(lái)表征這種新型2D MOF材料電導(dǎo)率與頻率的相關(guān)性，結(jié)果表明其與高度結(jié)晶的硅半導(dǎo)體一樣，遵循Drude模型。在Drude模型中，當(dāng)施加電壓時(shí)，電子可以非常容易地在非常長(zhǎng)的距離上移動(dòng)。



“根據(jù)Drude模型，對(duì)這種新型2D MOFs中的太赫茲光譜進(jìn)行解析，我們推斷，其電子遷移率超過(guò)此前絕緣MOFs的10000倍以上?！癊nrique Canovas博士表示。這意味著這種2D MOFs其擁有媲美無(wú)機(jī)半導(dǎo)體一樣的導(dǎo)電性能,為探索MOFs作為電子設(shè)備中的有源元件開(kāi)辟了道路。



這項(xiàng)研究提出的可高度定制的導(dǎo)電MOF為低成本MOF在多種新型電子設(shè)備中的應(yīng)用開(kāi)辟了道路，例如可以作為薄膜光電器件的活性材料。同時(shí)，這種2D MOF材料的化學(xué)和結(jié)構(gòu)可調(diào)性，提供了無(wú)限的想象空間，可用于開(kāi)發(fā)各種基于MOF的功能器件。不過(guò)作者也提到，這種新型2D MOF化學(xué)成分、電子結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率和電荷載流子遷移率之間的可靠相關(guān)性還有待進(jìn)一步研究確認(rèn)。

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