Металлоорганические каркасы (МОК) отличаются высокой пористостью и структурной универсальностью. Они обладают огромным потенциалом, например, в электронике. Однако их низкая электропроводность до сих пор серьёзно ограничивала их применение.
Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT), совместно с коллегами из Германии и Бразилии, с помощью искусственного интеллекта и роботизированного синтеза в самоуправляемой лаборатории смогли создать тонкую плёнку МОК, которая проводит электричество как металлы. Это открывает новые возможности в электронике и хранении энергии — от датчиков и квантовых материалов до функциональных материалов.
Команда отчёт о своей работе в журнале Materials Horizons.
Что такое металлоорганические каркасы?
Металлоорганические каркасы (МОК) состоят из металлических кластеров и органических линкеров. Их можно использовать для катализа, разделения материалов, хранения газов и многого другого.
Исследователи из Института функциональных интерфейсов (IFG) и Института нанотехнологий (INT) при KIT, а также из Университета Гёттингена, Свободного университета Берлина и Университета штата Сан-Паулу в Бразилии достигли значительного прорыва. Впервые они создали МОК в виде тонкой плёнки, которая демонстрирует металлическую проводимость.
Хотя теоретически металлическая проводимость в МОК была предсказана, на практике она пока реализована лишь в исключительных случаях — и никогда ранее в виде тонких плёнок, необходимых для технического применения.
Профессор Кристоф Вёль, руководитель IFG в KIT, объясняет: «Низкая электропроводность обусловлена дефектами, такими как границы между кристаллическими доменами. Такие структурные дефекты препятствуют переносу электронов. Наш новый производственный процесс помог нам значительно снизить плотность этих дефектов».
Новый метод производства
Международная исследовательская группа использовала синтез с помощью ИИ и роботов в самоуправляемой лаборатории для оптимизации тонких плёнок материала Cu₃(HHTP)₂ МОК. Этот подход позволяет точно контролировать кристалличность и размер домена.
В тонких плёнках Cu₃(HHTP)₂ была достигнута проводимость более 200 сименсов на метр при комнатной температуре — и даже выше при низких температурах в минус 173,15 градуса Цельсия. Это признак металлического поведения, открывающий путь для использования тонких плёнок МОК в электронных компонентах.
Теоретический анализ также показывает, что материал Cu₃(HHTP)₂ МОК имеет дираковские конуса — особые электронные состояния, подобные тем, что обнаружены в графене.
«Это открывает совершенно новые возможности для экспериментального исследования необычных транспортных явлений, таких как спиновые жидкости, в которых квантовые спины остаются неупорядоченными даже при низких температурах, или эффект Кляйна; другими словами, туннелирование через барьеры очень быстрыми частицами», — говорит Вёль.
Исследователи не только представляют новый метод производства проводящих плёнок МОК для интеграции в электронные компоненты, но и делают МОК новым вариантом во многих новых областях применения.
«Сочетание автоматизированного синтеза, прогнозной характеристики материалов и теоретического моделирования открывает новые перспективы для использования МОК в будущей электронике — от датчиков и квантовых материалов до индивидуальных функциональных материалов со специально регулируемыми электронными свойствами», — говорит Вёль.
Предоставлено:
Технологический институт Карлсруэ