Quadri metallo-organici con conduttività metallica
I ricercatori del KIT producono per la prima volta un film sottile di MOF con una vera conduttività metallica - prospettive per l'elettronica del futuro
I quadri metallo-organici (MOF) sono caratterizzati da un'elevata porosità e da una struttura personalizzabile. Hanno un enorme potenziale, ad esempio per applicazioni nell'elettronica. Finora, tuttavia, la loro bassa conducibilità elettrica ne ha limitato fortemente l'uso. Con l'aiuto della sintesi assistita da AI e robot in un laboratorio autocontrollato, i ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT), insieme a colleghi in Germania e Brasile, sono riusciti a produrre un film sottile MOF che conduce l'elettricità come i metalli. Questo apre nuove possibilità nel campo dell'elettronica e dell'immagazzinamento dell'energia, dai sensori e dai materiali quantistici ai materiali funzionali. Il team ne riferisce sulla rivista scientifica Materials Horizons.
I MOF (metal-organic frameworks) sono costituiti da giunzioni metalliche e da strutture organiche. Possono essere utilizzati, tra l'altro, per la catalisi, la separazione dei materiali e lo stoccaggio dei gas. I ricercatori dell'Istituto di Interfacce Funzionali (IFG) e dell'Istituto di Nanotecnologie (INT) del KIT, nonché dell'Università di Gottinga, della Freie Universität di Berlino e dell'Università Statale di San Paolo in Brasile, hanno ora raggiunto una svolta decisiva: Per la prima volta, hanno prodotto un MOF sotto forma di film sottile che si comporta come un metallo e presenta un'elevata conduttività.
Un nuovo processo di produzione riduce al minimo i difetti dei MOF
La conduttività metallica dei MOF è già stata prevista in teoria, ma finora è stata realizzata in pratica solo in casi eccezionali, e mai nella forma di film sottile che è fondamentale per le applicazioni tecniche. In questa forma, strati sottili di MOF vengono applicati a un substrato. "La ragione della bassa conduttività elettrica è da ricercare in difetti come le interfacce tra i domini cristallini", spiega il professor Christof Wöll, responsabile dell'IFG del KIT. "Tali difetti strutturali ostacolano il trasporto degli elettroni. Con il nostro nuovo processo di produzione, abbiamo ridotto in modo significativo la densità di questi difetti".
Il team di ricerca internazionale ha utilizzato la sintesi assistita da AI e robot in un laboratorio autocontrollato per ottimizzare i film sottili del materiale MOF Cu3(HHTP)2 . Questo approccio consente un controllo preciso della cristallinità. Questo approccio consente un controllo preciso della cristallinità e delle dimensioni del dominio. Di conseguenza, è stato possibile ottenere conduttività di oltre 200 Siemens per metro neifilm sottilidi Cu3(HHTP)2 a temperatura ambiente, e persino superiori a basse temperature, fino a meno 173,15 gradi Celsius. Si tratta di una chiara caratteristica del comportamento metallico che apre la strada all'uso dei film sottili MOF nei componenti elettronici.
Il MOF ottimizzato consente di studiare fenomeni di trasporto insoliti
Le indagini teoriche mostrano anche che il materiale MOF Cu3(HHTP)2 presenta coni di Dirac - speciali stati elettronici che si trovano anche nel grafene, per esempio. "Questo apre possibilità completamente nuove per indagare sperimentalmente fenomeni di trasporto insoliti come i liquidi di spin, in cui gli spin quantistici rimangono disordinati anche a basse temperature, o il cosiddetto tunnelling di Klein, cioè il tunnelling attraverso le barriere da parte di particelle molto veloci", spiega Wöll.
Con il loro studio, i ricercatori non solo presentano un processo innovativo per la produzione di film MOF conduttivi da incorporare nei componenti elettronici. Stanno anche aprendo i MOF a molti nuovi campi di applicazione. "La combinazione di sintesi automatizzata, caratterizzazione predittiva dei materiali e modellazione teorica apre nuove prospettive per l'uso dei MOF nell'elettronica del futuro, dalla tecnologia dei sensori e dei materiali quantistici ai materiali funzionali personalizzati con proprietà elettroniche specificamente regolabili", afferma Wöll.
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Pubblicazione 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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