Metallorganiska ramverk (MOF) kännetecknas av hög porositet och strukturell mångsidighet. De har en enorm potential, till exempel för tillämpningar inom elektronik. Hittills har dock deras låga elektriska ledningsförmåga i hög grad begränsat deras användning.
Med hjälp av AI och robotassisterad syntes i ett självkörande laboratorium har forskare från Karlsruhe Institute of Technology (KIT) tillsammans med kollegor i Tyskland och Brasilien nu lyckats producera en MOF-tunnfilm som leder elektricitet som metaller. Detta öppnar nya möjligheter inom elektronik och energilagring – från sensorer och kvantmaterial till funktionella material.
Teamet rapporterar om detta arbete i tidskriften Materials Horizons.
MOF (metallorganiska ramverk) består av metallkluster och organiska länkar. De kan bland annat användas för katalys, materialseparation och gaslagring. Forskare vid Institutet för funktionella gränssnitt (IFG) och Institutet för nanoteknik (INT) vid KIT, samt vid universitetet i Göttingen, Fria universitetet i Berlin och São Paulo State University i Brasilien har nu gjort ett stort genombrott. De har för första gången framställt en MOF i form av en tunn film som uppvisar metallisk ledningsförmåga.
Ny tillverkningsprocess minimerar defekter i MOF
Även om metallisk ledningsförmåga i MOF har förutsagts teoretiskt, har den hittills endast kunnat realiseras i undantagsfall – och aldrig tidigare i den tunna filmform som krävs för tekniska tillämpningar, där tunna filmer av MOF appliceras på ett substrat.
”Den låga elektriska ledningsförmågan orsakas av defekter som gränser mellan kristallina domäner”, förklarar professor Christof Wöll, chef för IFG vid KIT. ”Sådana strukturella defekter hindrar elektronöverföringen. Vår nya tillverkningsprocess har hjälpt oss att avsevärt minska densiteten av dessa defekter.”
Det internationella forskarteamet använde AI- och robotassisterad syntes i ett självkörande laboratorium för att optimera tunna filmer av Cu3(HHTP)2 MOF-materialet. Detta tillvägagångssätt möjliggör precis kontroll över kristallinitet och domänstorlek. I Cu3(HHTP)2-tunnfilmer uppnåddes konduktiviteter på mer än 200 Siemens per meter vid rumstemperatur – och ännu högre vid låga temperaturer på minus 173,15 grader Celsius. Detta är ett kännetecken för metalliskt beteende, vilket banar väg för användning av MOF-tunnfilmer i elektroniska komponenter.
Optimerad MOF möjliggör utforskning av ovanliga transportfenomen
Teoretiska analyser visar också att Cu3(HHTP)2 MOF-materialet har Dirac-koner – speciella elektroniska tillstånd som finns i grafen.
”Detta öppnar helt nya möjligheter för experimentell utforskning av ovanliga transportfenomen som spinnvätskor, där kvantspinnen förblir oordnade även vid låga temperaturer, eller Klein-tunnling, det vill säga tunnling genom barriärer med mycket snabba partiklar”, säger Wöll.
Med sin studie presenterar forskarna inte bara en ny metod för att tillverka ledande MOF-filmer för integrering i elektroniska komponenter, utan gör också MOF till ett nytt alternativ inom många nya tillämpningsområden.
”Kombinationen av automatiserad syntes, prediktiv materialkaraktärisering och teoretisk modellering öppnar nya perspektiv för användningen av MOF i framtidens elektronik – från sensorer och kvantmaterial till skräddarsydda funktionella material med specifikt justerbara elektroniska egenskaper”, säger Wöll.
Mer information: Chatrawee Scheiger et al, Dirac-cone induced metallic conductivity in Cu3(HHTP)2: high-quality MOF thin films fabricated via ML-driven robotic synthesis, Materials Horizons (2025). DOI: 10.1039/D5MH00813A
