Elektrisch leitende metall-organische Gerüste

Metall-organische Gerüste (metal organic framework, MOF) sind aus metallischen Ionen und organischen Molekülen aufgebaute Verbindungen, die unterschiedliche niedrigdimensionale Nanostrukturen bilden. Seit ihrer Entdeckung vor weniger als einem Jahrzehnt, wurden MOF ausgiebig in der Synthese eingesetzt und es wurden Anwendungen für das Speichern, Trennen und Reinigen von Gasen sowie in der Chromatographie und Katalyse entwickelt. MOFs mit außerordentlich hohen Oberflächen sind vorteilhaft, da sie Zeolite, poröses Silikon, Aktivkohle und Kohlenstoff Nanoröhren in struktureller Variation und chemischer Funktionalität übertreffen. Eine der Herausforderungen für ihre Anwendungen besteht darin, MOFs optimal leitfähig zu machen, um sie als leitfähige poröse Elemente in der Elektronik verwenden zu können. In einem im letzten Jahr erschienen Artikel wurde berichtet, dass es möglich ist, nicht leitende MOFs in metallische zu verwandeln, indem man sie mit Donatorenmolekülen dotiert. Es ist nun dringend notwendig, diesen Leitungsmechanismus besser zu verstehen, um MOFs in elektronischen Geräten anwenden zu können. Das Ziel des Projektes ist, das Verständnis des Leitungsmechanismus in dotierten MOFs zu erweitern und metallische und halbleitende MOFs als elektronische Komponenten in Prototypen von Sensoren, Solarzellen, optoelektronischen und spintronischen Geräten einzusetzen. Dies wird zu Erkenntnissen darüber führen, wie Ladungstransfer und Orbithybritisierung zwischen MOF Wirt und dem Gastmolekül die elektrische Leitfähigkeit verbessert und in weiterer Folge durch Quanteneffekte zur Emergenz von fortschrittlichen elektronischen, magnetischen und magnetotransport Eigenschaften führt. Unser einzigartiger Ansatz verbindet chemische Dotierung mit Donatorenmolekülen oder -ionen und Feldeffektdotierung in Geräten, die auf MOFs basieren, um die Dotierungsstärke zu kontrollieren. Der Schlüssel zum Verständnis der elektrischen Leitfähigkeit wird das Verständnis der elektronischen Interaktionen an den Molekülschnittstellen sein, die unter Verwendung von elementspezifischen und resonanzverstärkten spesktroskopischer Methoden untersucht werden. Diese werden durch fortschrittliche Charakterisierungstechniken wieatomar auflösenden Elektronenmikroskopen, elektrischen Transportmessungen und Messungen der Magnetisierung ergänzt. Der leitende Wissenschaftler wird das Projekt an experimentellen Einrichtungen und mit Mitteln der Atominstitut der TU Wien sowie nationalen und internationalen Forschungspartnern durchführen. Er ist ein führender Forscher im Bereich der Nanowissenschaften mit Schwerpunkt auf elektronischen, magnetischen und optischen Eigenschaften von Nanomaterialien, wie zum Beispiel Kohlenstoffnanoröhren, Metallcluster und MOFs. Seine Erfahrung in der Durchführung von internationalen Projekten, seine Kenntnisse der Festkörperphysik, spektroskopischen und mikroskopischen Fähigkeiten auf dem neusten Stand der Technik, die durch die Expertise der nationalen und internationalen Mitarbeiter vervollständigt werden, sind ausschlaggebend für den Erfolg des Projekts, das hohe Ansprüche an die Problemlösungskompetenz stellt und Zusammenarbeit auf höchstem Niveau erfordert.

Metallorganische Gerüstverbindungen (englisch Metal Organic Framework, kurz MOF) stellen eine neue Klasse von gemischten organischen und nicht organischen supramolekularen Materialien dar. Die geordneten, niedrigdimensonialen, nanoporösen Netzwerke aus metallischen Ionen und organischen Molekülen haben eine extrem große Oberfläche, mit einem breiten Spektrum an Porengrößen und chemischen Eigenschaften womit sie als Wirt für die verschiendensten Gastmoleküle dienen können. Seit ihrer Entdeckung vor gerade einmal zehn Jahren, wurde eine Vielzahl unterschiedlicher MOFs synthetisisert und ihre Verwendung zur Speichernung, Trennung und Reinigung von Gasen, in der Chromatographie und als Katalysator wurde ausgiebig untersucht. Weit weniger Schwerpunkt wurde auf das Studium ihrer physikalischen Eigenschaften und daraus resultierenden Anwendungen gelegt. Kürzlich entdeckte elektrisch leitende MOFs verdeutlichen die Relevanz solcher Materialien und verwandter Verbindungen als Ausgangsmaterial für elektronische Schaltungen. Ein umfassendes Verständnis der physikalischen Eigenschaften von MOFs ist für ihre Anwendung als elektronische Bauteile elementar. Ziel des Projektes war es, ein tiefgreifendes Verständnis der physikalischen Eigenschaften von MOFs zu erlangen, um den Weg zu Ihrer Anwendung als elektroische Bauteile zu ebnen. Als Ausgang wählten wir die Synthese von sauberen Kristallen und dünnen Filme vom MOFs und verwandten Materialien. Diese beinhalteten auch Koordinationspolymere und Metallkomplexe. Wir haben erfolgreich große Kristalle und dünne Filme aus unterschiedlichen MOFs wie z.B. HKUST-1 und M-MOF-74 (M symbolisiert das verwendete Metall wie z.B. Magnesium, Mangan, Kupfer oder Zink) synthetisiert. Einzelkristalle eines Koordinationspolymers aus organischen Eisenverbindungen mit für Schalter wichtigen elektronischen Spineigenschafteni, [Fe(Htrz)2(trz)](BF4), konnten von uns in einer Länge von bis zu 80 m synthetisiert werden. Soweit uns bekannt sind das die größten jemals synthetisierten Kristalle dieses Materials. Als Resultat unserer Versuche der Synthetisierung von MOFs entdeckten wir Einkristalle einer Vielzahl weiterer neuer molekularer Strukturen wie z.B. Metallkomplexe, Koordinationspolymere und anderer hybrider metall-organischer Materialien. Die großen und qualitativ hochwertigen Kristalle dienten als Grundlage für die Bestimmung der Gitterkonstante mittels Beugung am Einkristall. Desweitern wurden an ihnen die elektronischen, optischen und magnetischen Eigenschaften untersucht. Bezüglich der physikalischen Eigenschaften lieferten unsere Experimente Erkenntisse über die Abhängigkeit der Spin-Schalter Eigenschaften von der Kristallgröße in [Fe(Htrz)2(trz)](BF4), über die Natur des Ladungstransfers zwischen M-MOF-74 und unterschiedlichen Dottierungsstoffen, über Photoluminiszenz von HKUST-1 im sichtbaren Licht in Verbindung mit Kristalldefekten, sowie Metamagnetismus in eindimensionalen Spinketten eines neuen Cobald Koordinationspolymers. Manche unsere Beobachtungen konnten bereits in elektronische Anwendungen umgesetzt werden. So konnten wir Gassensoren auf Basis des Widerstands und Geräte welche die Änderung der optischen Eigenschaften von MOFs ausnutzen, bauen. Diese Ergebnisse ebnen den Weg zu weiteren Anwendungen von MOFs als elektronische Bauteile und fördern die weitere Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von MOFs und verwandter Materialien.