新一代半导体:双螺旋有机金属框架材料

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【大纪元2020年04月12日讯】(大纪元记者张妮编译)研究人员利用近年来热门的金属有机框架(MOF)结构造出一种双螺旋结构材料,是下一代半导体可用的新材料,其导电性能更好,而且生产过程无需现代半导体所需的高温技术,室温下可以生产。

MOF材料是近年来越发热门的多功能材料,已逐步走出实验室投入实际应用。这类材料可以吸收有毒气体、加快化学反应,控制药性释放速度,还可以用在充电电池和太阳能电池上。

MOF是由金属离子通过有机配位体连接在一起组成的矩阵结构。利用高精确度原子制造工艺,它们以非常有序的重复性单元结构排列,多数呈现孔状结构。

自从20年前首个MOF材料出现以来,至今研究人员用各种各样的金属和有机配位体已造出了二万多种这类材料。

主要研究员美国克莱姆森大学(Clemson University)的萨哈(Sourav Saha)说,现有的多数MOF材料多采用线形或平面配位体,而这项研究采用了蝴蝶状、不规则多边形的配位体,造出双螺旋结构的材料,最后通过碘分子部分氧化后增强导电性。

萨哈介绍说:“化学界早就注意到蝶形配位体,可是以前从未有人把它用在MOF材料中。用它搭建而成的双螺旋结构,在相邻单元之间造出了独特的S形带电通路。当蝶形配位体的一边被碘氧化的时候,另一边仍是中性,组成了分子间接缝电荷转移链。电子可以在分子间的S形通道上移动,让这种MOF材料导电性更好。”

研究人员先把锌盐溶剂和蝶形配位体以一定比例混合后放入烤箱,在约65摄氏度中烘烤24小时。“得到漂亮的板状橙色晶体。”研究员戈迪略(Monica Gordillo)说,为了达到最好的效果,他们不断调整溶液的配方、配位体与锌盐离子的比例以及温度等各种条件。

最后,把碘蒸汽注入孔状MOF材料,造成一边缺电子、另一边充满电子的独特通路。

现在的半导体材料通常要在500~1000摄氏度高温下制造。这种MOF半导体可以在室温至150摄氏度下制造,节省很多能源。

萨哈表示,他们的研究组将继续使用不同形状的配位体、不同的配比制造其它MOF材料。它们在未来电子业、能源转换和储能设备上都有潜在用途。

这份研究1月7日发表在《美国化学学会应用材料与界面》(ACS Applied Materials&Interfaces)期刊上,作为封面推荐研究。◇

责任编辑:朱涵儒

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