Yeni metal organik çerçeve: yeni nesil yarı iletkenler olması bekleniyor
Kılavuz
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Clemson Üniversitesi'nin resmi web sitesinde yer alan yakın tarihli bir rapora göre, okuldan bir araştırma ekibi, yeni çift sarmal metal organik çerçeve (MOF) sistem yapısının kısmen oksitlenmiş formunun elektriği iletebileceğini ve yeni nesil bir yarı iletken olması beklendiğini kanıtladı.
arka fon
Metal organik çerçeveler (MOF'ler), organik ligandların ve metal iyonlarının veya kümelerinin koordinasyon bağları yoluyla kendi kendine birleşmesiyle oluşturulan molekül içi gözeneklere sahip organik-inorganik hibrit malzemelerdir.
MOF'un moleküler yapısı (Resim kaynağı: Tony Boehle Wikimedia)
Metal-organik çerçeve, neredeyse her şeyi depolamak, ayırmak, serbest bırakmak veya korumak için kullanılabilen, ortaya çıkan süper gözenekli, çok işlevli bir nanomateryaldir. Metal-organik çerçeve aşağıdaki önemli özelliklere sahiptir: gözenekli, geniş yüzey alanı, çeşitli yapılar ve işlevler ve doymamış metal siteler Bu özellikler, güçlü adsorpsiyon ve katalitik işlevlere sahip olmasını sağlar.
Aşağıdaki şekil, belirli bir MOF'un şematik diyagramını göstermektedir. Resimdeki çizgiler organik köprüler ve kesişimler metal iyonları. Sarı top, sıvı veya gazla doldurulabilen gözenek boşluğunu temsil eder.
(Resim kaynağı: Berkeley Lab)
Günümüzde, metal organik çerçeve yavaş yavaş laboratuvardan çok sayıda gerçek dünya uygulamasına geçmektedir. Örneğin, metal organik çerçeveler tehlikeli gazları depolayabilir, kimyasal reaksiyonları katalize edebilir, ilaçları kontrollü bir şekilde teslim edebilir ve hatta şarj edilebilir pillerde ve güneş pillerinde kullanılabilir.
MOF malzemeden yapılmış nem toplama cihazı (fotoğraf kaynağı: Hyunho Kim / MIT)
Yenilikçilik
Son zamanlarda, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Clemson Üniversitesi Fen Fakültesi'nden bir araştırma ekibi, yeni bir tür kısmen oksitlenmiş çift sarmallı metal organik çerçeve yapısının elektriği iletebileceğini ve yeni nesil yarı iletkenler haline gelmesinin beklendiğini kanıtladı.
Ekibin bulguları, 18 Mart 2020'de American Chemical Society tarafından yayınlanan Applied Materials and Interfaces (Applied Materials and Interfaces) dergisinde yayınlandı.
(Resim kaynağı: Sourav Saha)
teknoloji
Metal-organik çerçeve, organik ligandlarla birbirine bağlanmış bir dizi metal iyonundan oluşur. Yüksek hassasiyetli atom mühendisliği tasarımı sayesinde, genellikle gözenekli yapılar oluşturan oldukça düzenli tekrar eden birimlere sahiptirler.
İlk metal organik çerçeve 20 yıl önce inşa edildiğinden beri, dünyanın dört bir yanındaki araştırmacılar, bir dizi metal ve organik liganddan oluşan 20.000'den fazla metal-organik çerçeve oluşturdu.
(Resim kaynağı: KAIST)
Kimya Bölümü'nde doçent olan Sourav Saha'ya göre, mevcut metal-organik çerçevelerin çoğu doğrusal veya düzlemsel ligandlardan oluşur. Bununla birlikte, Saha ve ekibi, konuk iyot molekülü tarafından kısmen oksitlendiğinde elektrik iletebilen yeni bir çift sarmal yapı türü oluşturmak için metal organik çerçeveye kelebek şeklinde bir dışbükey ligand yerleştirdi.
Saha şunları söyledi: "Kimya topluluğu bu kelebek şeklindeki genişletilmiş tetrathiafulvalene (ExTTF) ligandın bir süredir farkındaydı, ancak daha önce metal organik çerçeveye dahil edilmedi. Onu çift sarmal metal organik içine soktuk. Çerçevede, bitişik zincirlerin ek yeri boyunca uzanan benzersiz bir S-şekilli yük taşıma yolu oluşturulur.Her bir çift sarmalın bir tarafındaki ExTTF ligandları iyot ile oksitlendiğinde ve diğer taraftakiler nötr kaldığında, bunlar Dikişler boyunca moleküller arası bir yük aktarım zinciri oluşacaktır. Elektronlar bu yol boyunca moleküller arası bir şekilde akabilir ve bu da metal organik çerçeveyi daha iletken hale getirir. "
Dr. Saha'nın araştırma grubunda kimya yüksek lisans öğrencisi olan Monica Gordillo, bir çift sarmal metal organik çerçeveyi sentezlemek için çinko tuzlarını ve ExTTF ligandlarını belirli bir oranda karıştırmak için solvotermal bir yöntem kullandı. Daha sonra karışımı bir fırında yaklaşık 65 derece Celsius'ta 24 saat ısıttı.
Gordillo, "Bu güzel plaka şeklindeki turuncu kristalleri aldık. Bu heyecan verici malzemeyi elde etmek için sentez koşullarını ayarladık, çözücünün oranını, ligandın metal (çinko) iyonuna oranını ve sıcaklığı değiştirdik. "
İletken bir yük taşıma yolu oluşturmak için, iyot buharını gözenekli metal-organik çerçeveye yayarak, bir zinciri elektron açısından fakir hale getirirken diğer zincir elektron açısından zengin kaldı.
değer
Silikon, galyum veya arsenitten yapılan geleneksel inorganik yarı iletkenler mantık kapılarında, bellek yongalarında ve diğer elektronik uygulamalarda her yerde bulunur. Geleneksel inorganik yarı iletkenlerle karşılaştırıldığında, iletken metal organik çerçevelerin bazı avantajları olabilir. Örneğin, geleneksel yarı iletkenler 500 ila 1000 Santigrat derece sıcaklıkta sentezlenir.
Saha, Öte yandan, metal-organik çerçeveler inorganik yarı iletkenlere göre daha enerji verimli bir şekilde üretilebilir. Geleneksel yarı iletkenlerin yüksek düzenini korurken, oda sıcaklığı ile 150 derece Santigrat arasındaki herhangi bir sıcaklıkta sentezlenebilirler. Kristal yapı."
Saha ve ekibi, gelecekteki elektronik, enerji dönüştürme ve depolama cihazlarına uygulanabilecek farklı geometriler, kompozisyonlar ve işlevlerle yeni metal-organik çerçeve mimarileri geliştirmeye devam etmeyi planlıyor.
Anahtar kelime
Yarı iletken, MOF, elektronik
Referans
1 Monica A. Gordillo, Paola A. Benavides, Dillip K. Panda, Sourav Saha. Kelebek Şeklinde Elektron Açısından Zengin Genişletilmiş Tetrathiafulvalen Ligandları İçeren Elektriksel İletken Çift Sarmal Metal - Organik Çerçevelerin Gelişi ACS Uygulamalı Malzemeler ve Arayüzler, 2020; 12 (11): 12955 DOI: 10.1021 / acsami.9b20234
[2] https://newsstand.clemson.edu/mediarelations/clemson-professors-research-on-electrically-conducting-metal-organic-frameworks-featured-on-cover-of-american-chemical-society-journal/
