德国德累斯顿工业大学&马普高分子所Nature子刊：半导体二维金属有机骨架中的高迁移率带状电荷传输

【前言】

金属-有机骨架(MOFs)代表了一类由有机配体连接金属离子组成的杂化材料。结构和化学可调谐性以及长程晶体有序性使得MOFs有望成为各种应用的材料(特别是气体储存、分离和催化)；然而，迄今为止开发的大多数MOFs的绝缘特性限制了这些材料用于需要长距离电荷传输的应用。因此，最近发现的导电MOFs为MOFs在光电子学和化学电阻传感领域的潜在应用开辟了另一个广阔的领域。然而，半导体MOFs中电荷传输的机理至今仍未理清。解决半导体MOF中电荷传输的基本原理对于推进MOF设计以及这类材料在光电应用中得到应用是至关重要的。

【成果简介】

近日，来自德国德累斯顿工业大学的冯新亮和马普高分子所的Enrique Canovas（共同通讯）在Nature Materials上发表文章，题为“High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework”。 团队采用一种全光学、无接触的时间分辨太赫兹频谱(TRTS)技术，制备了一种新型π-d共轭半导体化二维MOF Fe₃(THT)₂(NH₄)₃。这种二维半导体化MOF的室温迁移率达到220 cm² V^–1s^–1。考虑到迁移率受到杂质散射，该材料自身的迁移率可以达到更高。

【图文导读】

图1. Fe₃(THT)₂(NH₄)₃2D MOFs的形貌，结构以及能带

a, SEM 图；

b, HRTEM图；

c,实验和由DFT优化结构得到的计算PXRD图；

d, Fe₃(THT)₂(NH₄)₃2D MOF结构示意图；

e, 计算电子结构；

f, Fe₃(THT)₂(NH₄)₃2D MOF薄膜带宽；

图2. 通过太赫兹谱测试的Fe₃(THT)₂(NH₄)₃2D MOFs的室温光导性

a, 光导与泵浦探测迟滞的关系；

b, 复合导电率与频率的关系；

图3. Fe₃(THT)₂(NH₄)₃2D MOFs温度与光导性的关系

a, 复杂光电导与温度的关系；

b, THz迁移率（上）和载流子浓度与温度的关系；

c, 光学与电学的对数关系；

d, 霍尔电荷七一路和电荷载流子浓度与温度的关系；

【总结】

在这项工作中，作者展示了半导体性多孔2D MOF中的带状传输。这种新材料显示出约0.25 eV的直接红外带隙，并具有高达约220 cm²V^-1s^-1的电荷载流子迁移率。作者制备的Fe₃(THT)₂(NH₄)₃是类石墨烯结构的MOF子类的一部分。很明显，这些2D MOF是高度可控的，因此作者预计它们的导电性、迁移率和带隙可以通过适当的化学设计来控制。从合成的角度来看，开发单晶并将其分层成单层不仅可以对结构-性能关系进行基础研究，还可以在需要长距离自由载流子运动时开发基于MOF的功能器件。

文献链接：High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework, (Nature Materials, 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0189-z)

本文由材料人电子电工组Z. Chen供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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