中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
電子導電金屬有機框架（Electronic Conductive Metal-Organic Frameworks，EC-MOFs）材料是一類(lèi)新興的由金屬離子或金屬離子簇和有機配體通過(guò)配位鍵自組裝形成的導電多孔晶態(tài)材料，是新出現的一類(lèi)集多孔性、選擇性與半導體特性于一體的晶體材料。因其豐富可設計的晶體結構和可調節的電子能帶結構等優(yōu)勢，使EC-MOFs材料作為活性功能組分在新型的場(chǎng)效應晶體管、鋰電池、超級電容器、氣敏傳感器等半導體電學(xué)器件領(lǐng)域具有很高的研究?jì)r(jià)值和應用潛力。然而，已報道的EC-MOFs材料的應用大部分采用粉末或厚膜形式，巨大的顆粒尺寸和晶界限制了電學(xué)器件中的電子和物質(zhì)傳輸。眾所周知，薄膜的質(zhì)量是高性能的器件的重要決定因素之一。層層自組裝（layer-by-layer，LbL）液相外延的方法是一種有效制備厚度可控、同質(zhì)均一MOFs薄膜的方法。然而，僅有部分具備特殊的次級結構（second building units，SBU）的MOFs能采用LbL法制備薄膜。將LbL法應用于EC-MOFs導電薄膜的可控外延生長(cháng)迄今并無(wú)相關(guān)報道。
在國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院科研裝備研制項目和中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)項目等的資助下，中科院福建物質(zhì)結構研究所結構化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員徐剛領(lǐng)導的課題組，在薄而可控、好且耐用的EC-MOFs薄膜與器件研究方面取得進(jìn)展。
該課題組助理研究員姚明水與碩士生呂小晶采用LbL噴霧法，首次制備厚度和質(zhì)量在納米尺度上層層可控的EC-MOFs薄膜。EC-MOFs薄膜生長(cháng)基于一類(lèi)化學(xué)穩定性良好的六方晶系EC-MOFs材料Cu3(HHTP)2（HHTP=2,3,6,7,10,11-六羥基三亞苯），該材料在ab方向上形成Cu-HHTP二維導電結構，沿c軸方向按輕微滑移的ABAB模式堆垛而成蜂窩狀微孔結構，薄膜室溫電導率可達2 S·m?1。該法制備的Cu3(HHTP)2薄膜不僅單層厚度可控~2nm，表面粗糙度<5nm，同時(shí)垂直于基底方向沿[001]方向具有良好結晶取向。這些優(yōu)點(diǎn)賦予其在高效電學(xué)器件方面巨大的應用潛力，作為應用實(shí)例，在預制金叉指電極的藍寶石基片上生長(cháng)的Cu3(HHTP)2薄膜被直接應用于室溫化學(xué)電阻型氣敏傳感器。實(shí)驗結果表明，在室溫下，薄膜越薄，氣體擴散與電荷傳輸能力越好，對氣體的檢測能力越強。其中20nm厚度的Cu3(HHTP)2薄膜的性能最佳，100ppm室溫電阻變化可達129%，并對氨氣表現出良好的選擇性和長(cháng)期穩定性（96天后仍保持~90%響應值）。分析顯示，p型響應來(lái)源于還原性氨氣吸附導致的費米能級提升（n型摻雜效果），載流子濃度下降，導致電流下降；高選擇性主要源于氨氣與Cu位點(diǎn)和配體的強相互作用。同時(shí)，由于薄膜表面光滑，且顆粒緊密、取向堆積，進(jìn)一步提升電荷傳輸和傳質(zhì)能力，因而比已報道的Cu3(HHTP)2厚膜傳感器響應值提升一個(gè)數量級以上。
相關(guān)成果發(fā)表在《德國應用化學(xué)》上，并選為當期內封面。研究工作得到孔道、納米人和研之成理等學(xué)術(shù)平臺的關(guān)注和報道。
