Theorie bestätigt! Metallorganische Gerüstverbindungen (MOF) leiten jetzt elektrischen Strom

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Mit künstlicher Intelligenz (KI), Roboterhilfe und selbststeuernder Labortechnik hat man am KIT jetzt erstmals eine MOF-Dünnschicht aufgebaut, die Strom wie Metalle leiten kann ...

Die Abkürzung MOF steht für metal organic frameworks, schicken Forscher vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bei diesem Bericht voraus. MOF bestehen aus metallischen Knotenpunkten und chemisch organischen Streben. Sie lassen sich unter anderem zur Katalyse, Stofftrennung und Gasspeicherung einsetzen. Experten am Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT sowie von der Universität Göttingen, der Freien Universität Berlin und der staatlichen Universität São Paulo in Brasilien ist nun ein entscheidender Durchbruch bei diesem Thema gelungen! Denn sie haben es geschafft, erstmals ein MOF in Form einer Dünnschicht herzustellen, das sich wie ein Metall verhält und deshalb Strom sehr gut leitet. Damit eröffneten sich in der Elektronik und der Energiespeicherung neue Möglichkeiten.

Übliche Fehlstellen in MOF werden kontrolliert vermieden

Metallische Leitfähigkeit in Sachen MOF wurde bereits theoretisch vorhergesagt, merken die Beteiligten an. Aber in der Praxis konnte sie bisher nur in Ausnahmefällen erreicht werden – und noch nie in der für technische Anwendungen entscheidenden Dünnschichtform. Dazu werden dünne Schichten des MOF auf einem Träger appliziert. Die Ursache für die sonst geringe elektrische Leitfähigkeit sind Defekte, wie etwa Grenzflächen zwischen Kristalldomänen, wie man erfährt. Solche Strukturfehler behindern nämlich den Elektronenfluss. Doch mit dem neuen Herstellungsverfahren hat man die Dichte dieser Defekte deutlich reduzieren können, wie es aus dem KIT schallt. Das internationale Forschungsteam setzte dazu KI- und robotergestützte Synthese in einem selbststeuernden Labor ein, um die Dünnschichten des MOF-Materials Cu₃(HHTP)₂ zu optimieren. Das ermöglichte die präzise Kontrolle der Kristallinität und der Domänengröße. So gelang es, den Dünnschichten bei Raumtemperatur eine Leitfähigkeiten von über 200 Siemens pro Meter zu bescheren (bei tiefen Temperaturen von -173,15 Grad Celsius sogar noch höhere). Das sei dann ein klares Indiz für metallischen Verhalten, das den Weg zum Einsatz von MOF-Dünnschichten in elektronischen Bauteilen ebne.

Durch Dirac-Kegel in neue Anwendungsdimensionen vorstoßen

Theoretische Untersuchungen zeigen außerdem, dass das MOF sogenannte Dirac-Kegel hat. Das sind spezielle elektronische Zustände, wie sie beispielsweise auch bei Graphen zu finden sind. Damit eröffneten sich völlig neue Möglichkeiten, um ungewöhnliche Transportphänomene wie Spin-Flüssigkeiten, in denen auch bei tiefen Temperaturen die Quantenspins ungeordnet bleiben experimentell zu untersuchen, oder das sogenannte Kleintunneln, das heißt, die Durchtunnelung von Barrieren durch sehr schnelle Teilchen. Mit ihrer Studie stellen die Forschenden somit nicht nur ein neuartiges Verfahren zur Herstellung leitfähiger MOF-Filme für den Einbau in elektronische Bauteile vor. Sie erschließen MOFs zugleich für viele neue Anwendungsfelder. Diese reichten von Sensorik über Quantenmaterialien bis hin zu maßgeschneiderten Funktionsmaterialien mit gezielt einstellbaren elektronischen Eigenschaften.

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