Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben in Kooperation mit Partnern aus Deutschland und Brasilien eine bahnbrechende Entwicklung im Bereich der metallorganischen Gerüstverbindungen (MOFs) erreicht. Diese hochporösen Materialien zeichnen sich durch ihre anpassbare Struktur aus und konnten bislang in der Elektronik aufgrund ihrer geringen elektrischen Leitfähigkeit nur eingeschränkt eingesetzt werden. KIT berichtet, dass die neu entwickelte MOF-Dünnschicht nun in der Lage ist, elektrischen Strom ähnlich gut wie ein Metall zu leiten.
Die Ergebnisse dieser vielversprechenden Forschung wurden in der Fachzeitschrift Materials Horizons veröffentlicht. Es handelt sich um ein neues Herstellungsverfahren zur Reduktion von Defekten in MOFs, die oft die elektrischen Eigenschaften beeinträchtigen. Während in früheren Studien Grenzflächen zwischen Kristalldomänen für die geringe Leitfähigkeit verantwortlich gemacht wurden, konnte das Forschungsteam diese Probleme nun minimieren. Durch die Verwendung von KI- und robotergestützter Synthese in einem selbststeuernden Labor wurde das MOF-Material Cu3(HHTP)2 optimiert. Die elektrische Leitfähigkeit dieser Substanz übersteigt bei Raumtemperatur 200 Siemens pro Meter, wobei bei tieferen Temperaturen bis -173,15 °C sogar noch höhere Werte erreicht werden.
Struktur und Eigenschaften von Cu3(HHTP)2
C3(HHTP)2 ist nicht nur für seine elektrischen Eigenschaften von Bedeutung, sondern weist auch eine eindrucksvolle Struktur auf. Laut einer Analyse wurden die Gitterparameter des Materials als a = b = 21,2 Å und c = 6,6 Å bestimmt. Diese Materialstruktur besteht aus hexagonalen 2D-Schichten, die in einer versetzten Parallelkonfiguration gestapelt sind. Die Morphologie von Cu3(HHTP)2 ähnelt gleichmäßigen Stäben, was durch FE-SEM-Analysen bestätigt wurde. Diese spezifische Struktur sorgt für eine hohe Oberfläche, die für verschiedene Anwendungen in der Katalyse und Stofftrennung von Vorteil ist.
Die elektrische Leitfähigkeit des Materials in Pulverform beträgt 0,01 S cm−1 und 0,04 S cm−1 in der Form von Elektrodenkompositen. Dieses MOF hat sich auch als Kathodenmaterial für wässrige wiederaufladbare Zink-Batterien bewährt, in denen reversible Zn2+-Einfüge- und -Entnahme-Reaktionen beobachtet wurden. Nature beschreibt interessante elektrochemische Eigenschaften, darunter eine anfängliche reversible Kapazität von 228 mAh g−1, die auch über 30 Ladezyklen erhalten bleibt.
Anwendungen und Zukunftsperspektiven
Die Kombination aus automatisierter Synthese, Materialcharakterisierung und theoretischer Modellierung eröffnet neue Perspektiven für den Einsatz von MOFs in der Elektronik. Mögliche Anwendungen umfassen nicht nur Sensorik und Quantenmaterialien, sondern auch maßgeschneiderte Funktionsmaterialien, die spezifisch für verschiedene Einsatzbereiche optimiert werden können. Das MOF Cu3(HHTP)2 zeigt dabei Dirac-Kegel, was neue Möglichkeiten zur Untersuchung von Transportphänomenen in diesen Materialien bietet.
Die physikalische Einheit der elektrischen Leitfähigkeit, die in Siemens pro Meter (S/m) gemessen wird, bestätigt die Effizienz dieses Materials. Um das Verständnis der elektrischen Leitfähigkeit zu vertiefen, ist es wichtig zu wissen, dass Leiter in der Regel Werte über 10⁶ S/m darstellen. Ein Wert von über 200 S/m lässt Cu3(HHTP)2 somit zu einem vielversprechenden Kandidaten für zukünftige elektronische Anwendungen werden. Sanier.de erklärt, dass freie Elektronen in einem Material entscheidend für die elektrische Leitfähigkeit sind, was bei MOFs durch die neuen Herstellungsverfahren optimiert werden konnte.
