Orientierungskontrolle von cMOF-Nanofilmen

Herstellung leitfähiger MOF-Dünnschichten mit umgekehrten Orientierungen (Bild: Yao Mingshui)

Peking/Kyoto (pte003/11.10.2023/06:10) - Forscher des Instituts für Verfahrenstechnik ( http://english.ipe.cas.cn/ ) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ( https://english.cas.cn/ ) und der Universität Kyoto ( https://www.kyoto-u.ac.jp/en ) haben eine Strategie konzipert, um leitfähige metallorganische Gerüstverbindungen (cMOF) auf Substraten zu züchten. Das klappt, indem sie das "Aufstehverhalten" von Liganden auf verschiedenen Oberflächen steuern, um Probleme bei der Orientierungskontrolle solcher Filme zu überwinden. Die Forschungsergebnisse ( https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305125120 ) sind in den "Proceedings of the National Academy of Sciences" nachzulesen.

Neue Charakterisierungsmethode

Das Team hat eine Operando-Charakterisierungsmethode unter Verwendung von Rasterkraftmikroskopie und Röntgenstrahlen entwickelt, um die Weichheit der kristallinen Nanofilme zu demonstrieren und ihre einzigartigen leitenden Funktionen aufzudecken. cMOFs haben wegen ihrer porösen Beschaffenheit und der Fähigkeit, Ladungen in einem regelmäßigen Netzwerk zu leiten, viel Potenzial für den Einsatz in modernen elektrischen Geräten. cMOFs in elektrischen Geräten hybridisieren normalerweise mit anderen Materialien, speziell Substraten. Daher ist die genaue Kontrolle der Grenzfläche zwischen einem cMOF und einem Substrat relevant.

Die unerforschte Grenzflächenchemie von cMOFs macht die kontrollierte Synthese und fortgeschrittene Charakterisierung hochwertiger dünner Schichten zur Herausforderung. Im Gegensatz zur erwarteten "edge-on"-Ausrichtung der 2D-Ebenen, die von der hydrophilen OH-Kante und dem hydrophoben Triphenylen-Kern herrührt, ist die experimentell beobachtete Ausrichtung tatsächlich die "face-on"-Konfiguration der 2D-Ebenen auf den Substraten. "Die Herausforderung besteht darin, den notwendigen hohen Oberflächendruck zu erzeugen, um eine 'aufrechte' Konfiguration des Kerns zu erreichen", erklärt IPE-Erstautor Yao Mingshui.

Hoher Druck für aufrechtes Verhalten

Bei der Langmuir-Blodgett-Technik können Liganden mit einem hydrophoben Kern und einem hydrophilen Rand auf hydrophilen Oberflächen eine aufrechte Orientierung annehmen, wenn sie hohem Oberflächendruck ausgesetzt sind. "Inspiriert durch das 'aufrechte' Verhalten setzen wir ultrahohe Konzentrationen zusammen mit einer starken Verdampfung während des Sprühens ein, um einen einzigartigen lokalen hohen Oberflächendruck zu erzeugen, der das 'aufrechte' Verhalten von HHTP-Liganden (HHTP = 2,3,6,7,10,11-Hexahydrotriphenylen) hervorrufen kann. So lassen sich dünne Schichten mit der Oberseite nach oben und mit der Kante nach unten herstellen", sagt Co-Autor Kenichi Otake von der Universität Kyoto.

Es wurden diverse zuverlässige Analysen durchgeführt, um die Kristallinität und Orientierung der Filme mit einer ultradünnen Dicke von einigen Nanometern bis zu einigen zehn Nanometern zu überprüfen. "Die Operando-GIWAXS-Bildgebung und die elektrische Überwachung zeigten die anisotrope Weichheit des Gerüsts in Verbindung mit der elektrischen Leitfähigkeit des cMOF-Nanofilms. Dies beantwortet die Frage, ob das allgemein als starr angesehene Cu-HHTP weich sein kann", meint Co-Autor Susumu Kitagawa von der Universität Kyoto. Über die Redox-Wechselwirkungen hinaus haben die Forscher bestätigt, dass die strukturelle Weichheit die elektrische Leitfähigkeit in anisotroper Weise moduliert.

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