Metaal-organische raamwerken (MOF) zijn kristallijne poreuze organisch-anorganische hybride materialen die, door hun poriën te vullen met gastmoleculen, kan functionaliteiten creëren door interacties tussen de op organisch-anorganische gebaseerde raamwerken van de MOF (host) en zijn gastmoleculen. Deze gastheer-gast-chemie heeft het potentieel om 'ontwerpbare' elektrische eigenschappen te brengen, waardoor een materiaal kan worden georganiseerd op een manier die nog nooit eerder mogelijk was, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor de volgende generatie slimme dunne-filmapparaten.

"Echter, de meeste MOF's vertonen een slechte elektrische geleidbaarheid, " zegt professor Masahide Takahashi, "vanwege de isolerende aard van de organische linkers en de openingen tussen de verschillende vormen waaruit het kristallijne materiaal bestaat." Zijn onderzoeksgroep van de Osaka Prefecture University, Graduate School of Engineering heeft een methode ontwikkeld om het pad van elektronenstroom in een polykristallijn materiaal te ontwerpen en te regelen en heeft een dun filmmateriaal gerealiseerd dat een hoge geleidbaarheid in een controleerbare richting vertoont. Hun werk werd gemeld op 4 juni, 2021, in de Journal of Materials Chemistry A .

Bekijk de elektronenstroom die wordt gecreëerd door de interactie tussen de gastheer-MOF en zijn gastmoleculen. Stel je een gastheermateriaal voor dat bestaat uit een kristal van dezelfde vorm, zoals een ongerepte eenkristalgeleider. Omdat de hele massa één vorm is, er zouden geen openingen zijn tussen zijn gastmoleculen, en dus grote geleidbaarheid. Het nadeel is dat het verwerken van dit materiaal om andere apparaten te vervaardigen hoge temperaturen en druk en nauwkeurige controle van de atmosfeer zou vereisen om zijn uniforme vorm te behouden. Tot nu toe is dit onpraktisch gebleken. Een polykristallijn materiaal bestaat uit kleine kristallen van verschillende grootte en vorm. Dit bevrijdt het van dezelfde hindernis om een ​​uniforme vorm te behouden tijdens de verwerking, waardoor het een kandidaat-materiaal is voor de productie van een breed scala aan next-gen dunne-filmapparaten. Echter, "om vergelijkbare geleidbaarheidsfuncties te vertonen als eenkristallen, we zouden een methode nodig hebben om de kristalkorrels zonder gaten uit te lijnen", zegt universitair hoofddocent Kenji Okada.

Deze kristalkorrels in MOF's zijn als poriën van moleculaire grootte die specifieke moleculen op een specifieke oriëntatie en tussenruimte kunnen herbergen. In plaats van uit te zoeken hoe de vorm van elke porie op elk molecuul kan worden uitgelijnd om de geleidbaarheid te vergemakkelijken, het team concentreerde zich op de regelmatigheden van de oppervlaktehydroxylgroepen van de metaalhydroxiden. Met behulp van een combinatie van roosteraanpassing en interfacebinding, het team bepaalde twee soorten oriëntatierelaties, of geleidende paden, en realiseerde een oriëntatie waarbij het pad in het vlak 10 keer meer geleidend was dan het andere.

"Door de epitaxiale groeibenadering te combineren met UV-lithografietechnologie, " zegt professor Takahashi, "we waren in staat om georiënteerde halfgeleidende polykristallijne MOF-films te maken, ongeacht de vorm van de individuele kristallen."