Structures organométalliques à conductivité métallique
Des chercheurs du KIT fabriquent pour la première fois une couche mince MOF avec une véritable conductivité métallique - perspectives pour l'électronique du futur
Les composés de squelette organométalliques (MOF) se caractérisent par une grande porosité et une structure adaptable. Ils possèdent un énorme potentiel, par exemple pour des applications dans l'électronique. Mais jusqu'à présent, leur faible conductivité électrique limitait fortement leur utilisation. Grâce à l'IA et à la synthèse robotisée dans un laboratoire autogéré, des chercheurs du Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ont réussi, en collaboration avec des collègues allemands et brésiliens, à fabriquer une couche mince de MOF qui conduit l'électricité comme les métaux. Cela ouvre de nouvelles possibilités dans l'électronique et le stockage de l'énergie, des capteurs aux matériaux quantiques et aux matériaux fonctionnels. L'équipe en parle dans la revue spécialisée Materials Horizons.
Les MOF (abréviation de : metal-organic frameworks) sont constitués de nœuds métalliques et d'entretoises organiques. Ils peuvent être utilisés entre autres pour la catalyse, la séparation de substances et le stockage de gaz. Des chercheurs de l'Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) et de l'Institut für Nanotechnologie (INT) du KIT, ainsi que de l'Université de Göttingen, de l'Université libre de Berlin et de l'Université d'État de São Paulo au Brésil, ont réussi une percée décisive : Ils ont fabriqué pour la première fois un MOF sous forme de couche mince qui se comporte comme un métal et présente une conductivité élevée.
Un nouveau procédé de fabrication minimise les défauts dans les MOFs
La conductivité métallique dans les MOF a déjà été prédite en théorie, mais n'a été réalisée en pratique que dans des cas exceptionnels - et encore jamais sous la forme de couche mince, décisive pour les applications techniques. Celle-ci consiste à déposer de fines couches de MOF sur un support. "Les défauts tels que les interfaces entre les domaines cristallins sont à l'origine de la faible conductivité électrique", explique le professeur Christof Wöll, directeur de l'IFG du KIT. "De tels défauts structurels entravent le transport des électrons. Grâce à notre nouveau procédé de fabrication, nous avons considérablement réduit la densité de ces défauts".
L'équipe de recherche internationale a utilisé l'IA et la synthèse robotisée dans un laboratoire autogéré pour optimiser les couches minces du matériau MOF Cu3(HHTP)2 . Cette approche permet un contrôle précis de la cristallinité et de la taille des domaines. Ainsi, il a été possible d'atteindre des conductivités de plus de 200 Siemens par mètre dans descouches minces de Cu3(HHTP)2 à température ambiante - et même des conductivités encore plus élevées à des températures basses de moins 173,15 degrés Celsius. Il s'agit là d'une caractéristique claire du comportement métallique, qui ouvre la voie à l'utilisation de couches minces de MOF dans les composants électroniques.
Un MOF optimisé permet d'étudier des phénomènes de transport inhabituels
Des études théoriques montrent en outre que le matériau MOF Cu3(HHTP)2 présente des cônes de Dirac - des états électroniques spéciaux que l'on trouve par exemple aussi dans le graphène. "Cela ouvre de toutes nouvelles possibilités d'étudier expérimentalement des phénomènes de transport inhabituels comme les liquides de spin, dans lesquels les spins quantiques restent désordonnés même à basse température, ou ce que l'on appelle le petit tunnel, c'est-à-dire le passage de particules très rapides à travers des barrières", explique Wöll.
Avec leur étude, les chercheurs ne présentent donc pas seulement un nouveau procédé de fabrication de films MOF conducteurs pour l'intégration dans des composants électroniques. Ils ouvrent en même temps les MOF à de nombreux nouveaux champs d'application. "La combinaison de la synthèse automatisée, de la caractérisation prédictive des matériaux et de la modélisation théorique ouvre de nouvelles perspectives pour l'utilisation des MOFs dans l'électronique du futur - des capteurs aux matériaux quantiques en passant par les matériaux fonctionnels sur mesure avec des propriétés électroniques réglables de manière ciblée", explique Wöll.
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Publication originale
Chatrawee Scheiger, Jonas F. Pöhls, Mersad Mostaghimi, Lena Pilz, Mariana Kozlowska, Yidong Liu, Lars Heinke, Carlos Cesar Bof Bufon, R. Thomas Weitz, Wolfgang Wenzel, Christof Wöll; "Dirac-cone induced metallic conductivity in Cu3(HHTP)2: high-quality MOF thin films fabricated via ML-driven robotic synthesis"; Materials Horizons, 2025
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