Metall-organiska ramverk (MOF) är kristallina porösa organiskt-oorganiska hybridmaterial som, genom att fylla sina porer med gästmolekyler, kan skapa funktionaliteter genom interaktioner mellan de organiskt-oorganiska ramverken för MOF (värd) och dess gästmolekyler. Denna värd-gäst-kemi har potential att ge "designbara" elektriska egenskaper, gör det möjligt för ett material att organiseras på ett sätt som aldrig tidigare varit möjligt – vilket banar väg för nästa generation av smarta tunnfilmsenheter.

"Dock, de flesta MOF:er uppvisar dålig elektrisk ledningsförmåga, " säger professor Masahide Takahashi, "på grund av den isolerande naturen hos de organiska länkarna och luckorna mellan de olika formerna som utgör det kristallina materialet." Hans forskargrupp från Osaka Prefecture University, Graduate School of Engineering har utvecklat en metod för att designa och kontrollera elektronflödets väg i ett polykristallint material och har realiserat ett tunnfilmsmaterial som visar hög konduktivitet i en kontrollerbar riktning. Deras arbete rapporterades den 4 juni, 2021, i Journal of Materials Chemistry A .

Tänk på elektronflödet som skapas av interaktionen mellan värd-MOF och dess gästmolekyler. Föreställ dig ett värdmaterial som består av en likaformad kristall – som en orörd enkristallledare. Eftersom hela massan är en form, det skulle inte finnas några luckor mellan dess gästmolekyler, och därmed stor ledningsförmåga. Nackdelen är att bearbetning av detta material för att tillverka andra enheter skulle kräva höga temperaturer och tryck och exakt kontroll av atmosfären för att behålla sin enhetliga form. Hittills har detta visat sig opraktiskt. Ett polykristallint material är uppbyggt av små kristaller av varierande storlek och form. Detta befriar den från samma hinder för att bibehålla en enhetlig form under bearbetning, vilket gör det till ett kandidatmaterial för tillverkning av ett brett utbud av nästa generations tunnfilmsenheter. Dock, "för att uppvisa liknande konduktivitetsfunktioner som enkristaller, vi skulle behöva en metod för att anpassa kristallkornen utan luckor", säger docent Kenji Okada.

Dessa kristallkorn i MOF är som porer i molekylstorlek som kan rymma specifika molekyler med en specifik orientering och avstånd. Istället för att ta reda på hur man anpassar formen på varje por till varje molekyl för att underlätta konduktiviteten, teamet fokuserade på regelbundenheterna hos ythydroxylgrupperna i metallhydroxiderna. Genom att använda en kombination av gittermatchning och gränssnittsbindning, teamet bestämde två typer av orienteringsrelationer, eller ledande banor, och insåg en orientering där banan i planet var 10 gånger mer ledande än den andra.

"Genom att kombinera den epitaxiella tillväxtmetoden med UV-litografiteknik, " säger professor Takahashi, "vi kunde skapa orienterade halvledande polykristallina MOF-filmer oavsett formen på de enskilda kristallerna."