PorŲse Halbleiter

(Nanowerk News) Chemiker am Institut f√ľr Physik der Universit√§t Augsburg berichten im renommierten Fachjournal Advanced Functional Materials ("Dielectric Relaxation Processes, Electronic Structure, and Band Gap Engineering of MFU-4-type Metal-Organic Frameworks: Towards a Rational Design of Semiconducting Microporous Materials") von neuartigen por√∂sen Verbindungen, deren Halbleiter-Eigenschaften gezielt ma√ügeschneidert werden k√∂nnen. Halbleiter, die niedrige elektronische Bandl√ľcken mit einem f√ľr Molek√ľle zug√§nglichen System aus nano-dimensionierten Kan√§len kombinieren, erm√∂glichen die Entwicklung von neuartigen multifunktionalen Materialien f√ľr vielf√§ltige technische Anwendungen.
metallorganischen Ger√ľstverbindung mit halbleitenden Eigenschaften
(a) Modulartiger Aufbau einer metallorganischen Ger√ľstverbindung mit halbleitenden Eigenschaften. Gezielte Modifizierung von Bauelementen (farbig gekennzeichnet) erlaubt eine exakte Kontrolle der Halbleiter-Bandstruktur (s. Schema) - (b) Gr√∂√üerer Ausschnitt aus der Ger√ľststruktur von MFU-4 (gelb) mit Gastmolek√ľlen in den Poren und Kan√§len. (Bild: Universit√§t Augsburg/ifp)
Einem Augsburger Forscherteam aus Festk√∂rper-Chemikern und Experimental-Physikern ist es gelungen, durch Anwendung einer Vielzahl spektroskopischer Messmethoden umfassend die elektronischen Eigenschaften einer metallorganischen Ger√ľstverbindung - MOF f√ľr "metal-organic framework" - √ľber einen weiten Temperaturbereich hinweg zu bestimmen. Die dazu verwendete Ger√ľstverbindung MFU-4 wurde von Wissenschaftlern um Prof. Dr. Dirk Volkmer am Lehrstuhl f√ľr Festk√∂rperchemie der Universit√§t Augsburg bereits vor einiger Zeit synthetisiert.
Metallorganische Ger√ľstverbindungen werden in einem Baukastensystem erzeugt, in dem sich por√∂se Materialien f√ľr spezielle Anwendungen gezielt herstellen lassen. Wie Volkmers Kollegen Prof. Dr. Alois Loidl und PD Dr. Peter Lunkenheimer vom Augsburger Lehrstuhl f√ľr Experimentalphysik V/EKM durch temperaturabh√§ngige dielektrische Messungen nun zeigen konnten, l√§sst sich die elektronische Bandl√ľcke des Materials MFU-4 ‚Äď die entscheidende Gr√∂√üe f√ľr die elektrische Leitf√§higkeit ‚Äď durch gezielten Austausch von Metall-Ionen in weiten Bereichen anpassen. So wird z. B. durch den Austausch von Zink- gegen Cobalt-Ionen die elektronische Bandl√ľcke von urspr√ľnglich 3.0 auf ca. 1.8 Elektronenvolt (eV) herabgesetzt. Die resultierende Verbindung - Co-MFU-4 - n√§hert sich damit in Bezug auf die elektronischen Eigenschaften bekannten Halbleiter-Verbindungen wie etwa Selen oder Cadmiumselenid an, weist aber im Gegensatz zu diesen kompakten anorganischen Halbleitern eine riesige innere Oberfl√§che von gr√∂√üer als 1000 m2/g auf, was vielf√§ltige Anwendungsperspektiven er√∂ffnet. Vergleichbare Oberfl√§chen und Poren zeigen sonst nur sogenannte Zeolithe, deren intrinsische Bandl√ľcken aber bei wesentlich h√∂heren Energiewerten √ľber 5 eV liegen und die sich deshalb wie Isolatoren verhalten.
Durch quantenmechanische Berechnungen von Dr. Juan Sastre - theoretischer Chemiker an der Polytechnischen Universit√§t Valencia - konnten die elektronischen Eigenschaften f√ľr die ungew√∂hnliche Material-Kombination aus Poren und elektrischer Leitf√§higkeit simuliert und genau vorhergesagt werden. Sastres Berechnungen erlauben tiefere Einblicke in Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von metallorganischen Ger√ľstverbindungen und gezielte Vorhersagen √ľber die Auswirkungen struktureller Modifikationen auf die elektronischen Eigenschaften. "Dadurch wird es m√∂glich, die Bandl√ľcke von por√∂sen Ger√ľstverbindungen gezielt einzustellen. Dies wiederum erm√∂glicht es, z. B. Energie aus Sonnenlicht mit h√∂chster Effizienz zu sammeln und in chemische Energie und Materialien umzuwandeln, beispielsweise in der photokatalytischen Herstellung von Wasserstoff aus Wasser oder der Fixierung von Kohlendioxid", so Volkmer.
Da das por√∂se MOF-Material von den umzuwandelnden Stoffen vollst√§ndig infiltriert wird, ist die Effizienz solcher Umwandlungen vermutlich sehr viel h√∂her als diejenige typischer, bisher verwendeter kompakter Photohalbleiter-Materialien. Dar√ľber hinaus ergeben sich potentielle Anwendungen im Bereich der Sensorik: Die zu analysierenden Molek√ľle dringen in die Ger√ľstverbindung ein und verursachen eine Ver√§nderung der Gitterstruktur und -symmetrie. Die damit einhergehenden √Ąnderungen der Elektronenstruktur k√∂nnen dann ‚Äď dank halbleitender Eigenschaften ‚Äď auf direktem elektrischen Wege detektiert werden.
Und mehr noch: metallorganische Ger√ľstverbindungen sind Nanoschw√§mme, die solche Molek√ľle, die exakt in die Poren passen, "aktiv" anreichern. Damit er√∂ffnen sich Perspektiven f√ľr die medizinische Diagnostik, etwa bei der Erfassung von kleinsten Mengen fl√ľchtiger Verbindungen in der Atemluft von Patienten, die f√ľr bestimmte Krankheitsbilder charakteristisch sind. Denkbar w√§ren entsprechende Sensormodule, in die der Anwender wie bei den bekannten Alkoholtests hineinbl√§st.
"Bis solche "Apps" f√ľr Smartphones oder PCs zur Verf√ľgung gestellt werden k√∂nnen, bedarf es aber", wie Volkmer anmerkt, "noch weiterer grundlegender Untersuchungen, an denen wir an der Universit√§t Augsburg derzeit t√ľfteln."
Source: Universität Augsburg
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