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14.04.2020 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

MOFs erobern die Optoelektronik

Autor:
Dieter Beste
2 Min. Lesedauer

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) stehen weit oben auf der Agenda der Materialentwicklung. Bislang entfalten MOFs etwa als Speichermaterial ihren Charme. Doch ihre Möglichkeiten gehen weit darüber hinaus.

Manche Feststoffe bieten in ihrem Kristallgitter so viel Platz, dass Ionen oder kleine Moleküle in das Gitter eingelagert werden können, ohne dass sich die Gitterstruktur des "Wirts" durch den eingebauten "Gast" wesentlich verändert. Bekannte Beispiele dafür sind etwa in der Natur vorkommende Tonmineralien, die Wasser einlagern können, erklären Michael Binnewies, Maik Finze, Manfred Jäckel, Peer Schmidt, Helge Willner und Geoff Rayner-Canham in "Allgemeine und Anorganische Chemie". Derartige Stoffe werden als Einlagerungsverbindungen oder Interkalationsverbindungen bezeichnet. "Zwischen Wirt und Gast wirken nur schwache Bindungskräfte, sodass der Gast das Wirtsgitter ohne allzu große Energiezufuhr wieder verlassen kann" (Seite 151).

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Metal-Organic Frameworks

Metal-organic frameworks (MOFs) are a relatively young class of porous materials. They consist of inorganic complexes as nodes connected by multifunctional organic molecules (linkers). Highly porous MOFs reach records in terms of storage …

Wurde nun diese Verbindungsklasse in der Vergangenheit eher als Kuriosität betrachtet, ist sie mit den neuartigen MOFs (metal-organic frameworks) seit einigen Jahren ins Zentrum der Materialentwicklung gerückt, so die Springer-Autoren. Diese porösen Verbindungen, in denen Metall-Kationen durch geeignete mehrzähnige Liganden zu einem dreidimensionalen Netzwerk verknüpft sind, bestehen bis zu 90 Prozent aus leerem Raum und lassen eine Reihe von Anwendungen erwarten: "So denkt man daran, Gase in den Hohlräumen zu speichern, was insbesondere für Wasserstoff als möglichen Treibstoff für Automobile interessant wäre" (Seite 152).

Abseits aller Vorstellungen, die geometrische Struktur von MOFs als Speicher für Gase, zur Gastrennungen oder zur langsamen Freisetzung von Arzneimitteln im menschlichen Körper zu nutzen, haben Forscher am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) jetzt herausgefunden, dass sich eine von ihnen untersuchte metallorganische Gerüstverbindung als Breitband-Fotodetektor verwenden lässt.

Effizienter Fotodetektor

"Die an der TU Dresden entwickelte metallorganische Gerüstverbindung besteht aus einem organischen Material mit eingebauten Eisenionen", berichtet Artur Erbe, der am HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung die Arbeitsgruppe "Transport in Nanostrukturen" leitet. "Besonders daran ist, dass das Gerüst übereinanderliegende Schichten mit halbleitenden Eigenschaften bildet." In der Arbeitsgruppe kam deshalb die Idee auf, das neue halbleitende zweidimensionale MOF als Fotodetektor zu nutzen. Um diese Möglichkeit zu erforschen, nahm die Doktorandin Himani Arora die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters genauer unter die Lupe; insbesondere untersuchte sie, inwieweit die Lichtempfindlichkeit von Temperatur und Wellenlänge abhängig ist und kam zu einem vielversprechenden Ergebnis: Mit 400 bis 1575 Nanometer konnte der Halbleiter einen breiten Wellenlängenbereich des Lichts erfassen. Das Spektrum reichte somit von der Ultraviolettstrahlung bis ins nahe Infrarot. "Wir haben hier zum ersten Mal eine solche breitbandige Fotoreaktion für einen vollständig auf MOF-Schichten basierenden Fotodetektor nachgewiesen", sagt Himani Arora. 

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