新型金属有机框架，有望成为新一代的半导体

据美国克莱姆森大学官网近日报道，该校的一支研究团队证明，部分氧化形式的新型双螺旋金属有机框架（MOF）体系结构可以导电，有望成为新一代半导体。

金属有机框架（MOFs）是由有机配体和金属离子或团簇，通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机杂化材料。金属有机框架是一种新兴的超多孔、多功能纳米材料，可用于存储、分离、释放或者保护几乎任何东西。金属有机框架具有以下重要特征：多孔、表面积大、结构与功能多样、不饱和金属位点，这些特征使之具备强大的吸附功能和催化功能。

如今，金属有机框架正逐步地从实验室走向大量的现实世界应用。例如，金属有机框架可以存储危险气体，催化化学反应，以受控的方式投送药物，甚至可以用在可充电电池与太阳能电池中。

近日，美国克莱姆森大学理学院的一支研究团队证明，部分氧化形式的新型双螺旋金属有机框架体系结构可以导电，有望成为新一代半导体。该团队的发现于2020年3月18日发表在美国化学学会出版的期刊《应用材料与界面（Applied Materials & Interfaces）》上。

金属有机框架由通过有机配体连接的金属离子阵列组成。通过高精度的原子工程设计，它们拥有了通常构成多孔结构的高度有序的重复单元。自20年前构造出第一个金属有机框架以来，全世界的研究人员创造出两万多种由一系列金属和有机配体组成的金属有机框架。

根据化学系副教授 Sourav Saha 的说法，现有大多数金属有机框架是由线性或者平面配体组成。然而，Saha 及其团队将一种蝴蝶形的凸配体引入到金属有机框架中，从而形成一种新型双螺旋结构，该结构一旦被客体碘分子部分氧化，就可以导电。

Saha 表示：“化学界了解这种蝶形延展的四硫富瓦烯（ExTTF）配体已经有一段时间，但是之前它尚未被掺入金属有机框架中。我们通过将它引入到双螺旋金属有机框架中，创造出沿相邻链的接缝延伸的独特的S形电荷传输路径。当每条双螺旋链一侧的 ExTTF 配体被碘氧化，而另一侧的那些保持中性时，它们就会沿着接缝形成分子间的电荷转移链。电子能以一种分子间的方式，沿着这条路径流动，使金属有机框架更加导电。”

Saha 博士研究小组的化学研究生 Monica Gordillo 采用溶剂热法，按一定比例混合锌盐和 ExTTF 配体，合成了双螺旋金属有机框架。然后，她在约65摄氏度的烤箱中将混合物加热24小时。Gordillo 表示：“我们得到了这些美丽的板状橙色晶体。为了获得这种令人激动的材料，我们调整了合成条件，修改了溶剂的比例、配体与金属（锌）离子的比例以及温度。”

为了创造出能导电的电荷传输路径，她将碘蒸气扩散到多孔的金属有机框架中，使得一根链变得贫电子，而另一根链保持富电子。传统无机AD7899AR-3半导体，由硅、镓或砷化物制成，在逻辑门、存储芯片及其他电子应用中无处不在。与传统无机半导体相比，导电的金属有机框架可能会具有一些优势。例如，传统半导体是在500到1000摄氏度的温度条件下合成的。

Saha 表示：“从另一方面来说，金属有机框架可以用比无机半导体更节能的方式制造出来。它们可以在室温至150摄氏度之间的任何温度合成，同时保持传统半导体所具有的高度有序的晶体结构。”Saha 及其团队计划继续开发具有不同几何形状、成分和功能的新型金属有机框架体系结构，它们可以应用到未来的电子、能量转换和存储设备中。