Nueva estructura metal-orgánica para aplicaciones electrónicas

 15.10.2018

A la izquierda, imagen de microscopio electrónico del material 2-dimensional MOF (la barra de escala son 2 nanómetros). A la derecha, representación de la estructura MOF (los colores gris, amarillo y naranja representan átomos de carbono, azufre y hierro, respectivamente).

Científicos han observado inequívocamente por primera vez transporte electrónico de tipo semiconductor en una estructura metal-orgánica. Este inusual comportamiento, unido a una rentable fabricación, abre el camino para emplear estructuras metal-orgánicas como elementos activos en dispositivos electrónicos.

Los semiconductores inorgánicos como el silicio, el germanio o el arseniuro de galio son elementos fundamentales de la electrónica moderna. Actualmente se usan en una variedad de dispositivos, por ejemplo, chips de ordenador, LEDs y células solares. Los semiconductores inorgánicos son altamente puros, cristalinos y por tanto son materiales muy ordenados. Estas características los hacen buenos conductores de la electricidad bajo la aplicación de un voltaje externo. Sin embargo, su alta cristalinidad y pureza, que se consigue mediante procesos a muy alta temperatura, hace de ellos elementos muy caros de producir. Una alternativa “low-cost” son los semiconductores basados en elementos orgánicos, por ejemplo, polímeros, que pueden ser procesados a baja temperatura, incluso a temperatura ambiente. El problema de la producción a baja temperatura es que generalmente viene asociada a la presencia de defectos en la red cristalina y al desorden de las muestras. Estos defectos comprometen fuertemente las propiedades eléctricas de los semiconductores basados en materiales orgánicos, haciendo que la mayoría de ellos se comporten como aislantes al paso de la corriente.

Los científicos alrededor del investigador principal Enrique Cánovas (IMDEA Nanociencia y MPI-P) han desarrollado y caracterizado una novedosa estructura metal-orgánica (por sus siglas en inglés MOF), un material orgánico fabricado a temperatura ambiente que, notablemente, se comporta como un semiconductor inorgánico en cuanto a sus propiedades eléctricas. Estos resultados abren el camino para poder explotar los MOFs como elementos activos de dispositivos electrónicos.

Los MOFs producidos hasta la fecha, aunque tienen una estructura cristalina, han mostrado nula o muy baja conductividad eléctrica. Esto es debido fundamentalmente al carácter aislante de los ligandos que coordinan los centros metálicos. Este nuevo MOF, producido por el grupo del Prof. Feng en Dresden, es también un sólido altamente cristalino y ordenado, pero obtenido a partir de ligandos orgánicos conductores, que están coordinados por nodos metálicos. Los elementos constituyentes del cristal se han ensamblado para producir un material 2D semiconductor, en un proceso llamado auto-ensamblaje, a temperatura ambiente. Este material es tan fino como una sola capa de átomos, característica que facilita el transporte de la corriente eléctrica en el plano 2D.

 El grupo liderado por el Dr. Cánovas caracterizó el novedoso material MOF mediante espectroscopía de teraherzios (THz), una herramienta que permite medir la conductividad de una muestra en un tiempo ultrarápido (un picosegundo), localmente (midiendo las corrientes en distancias tan cortas como un nanómetro) y ópticamente (sin necesidad de trastocar la muestra con contactos metálicos). Estos aspectos mencionados hacen posible medir la dependencia de la conductividad con la frecuencia mediante espectroscopía THz. En el caso de la muestra preparada por el Prof. Feng, esta conductividad obedece a un comportamiento “Drude”; el mismo encontrado en, por ejemplo, silicio cristalino. “Mediante la respuesta Drude, obtenida mediante espectroscopía THz, inferimos una movilidad electrónica récord en este nuevo material, que sobrepasa los valores previamente medidos en MOFs en un factor de 10.000”, dice el Dr. Enrique Canovas de IMDEA Nanociencia. El comportamiento tipo Drude implica que los electrones se desplazan fácilmente a distancias largas cuando se aplica un voltaje. Estos resultados abren el camino para explotar los MOFs en una multitud de aplicaciones innovadoras low-cost donde el movimiento de electrones sobre largas distancias es requerido, por ejemplo, en dispositivos electrónicos.

Esta investigación es una colaboración internacional de científicos en Alemania, Bulgaria y España. La Universidad Técnica de Dresden, los Institutos Max Planck de Investigación en Polímeros y de Química-Física de los Sólidos, el Centro Hemlholtz en Dresden, el Instituto Wilhem-Ostwald de Química Física y Teórica en Leipzig, La Universidad de Sofía y el Instituto Madrileño de Estudios Avanzados en Nanociencia han contribuido a este trabajo.

A. Dong et al. High mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal-organic framework. Nat. Mater. 2018. 

DOI: 10.1038/S41563-018-0189-Z

Full paper:  https://rdcu.be/9i7p