LPKF皮秒激光助力二维MOFs材料中实现高迁移率的带状电荷传输研究

硅、锗或砷化镓等无机半导体材料是现代电子产品的核心，被广泛应用在计算机芯片、LED、光伏等电子器件中。然而，这些应用对无机半导体材料的纯度和高结晶度有着很高的要求，例如太阳能级高纯硅一般至少要6个9以上的纯度，而芯片级的硅纯度更是高达11个9。无机半导体的高纯度和高结晶度往往需要高温等苛刻的条件才能实现，这就意味着其成本较高。相比之下，可以在室温下合成的有机半导体，就成了潜力较大的低成本替代物。不过事情并没有那么简单，有机半导体虽然具有显著的成本优势，但低温处理导致的缺陷和无序，使其导电性能远远比不上无机半导体。事实上，大多数有机材料都是电的绝缘体。

近日，由德国马普高分子所、德累斯顿工业大学等机构科学家组成的研究团队首次在一种二维MOFs材料中实现了高迁移率的带状电荷传输，意味着有机半导体材料有望可以像无机半导体材料那样在电子器件中大显身手。相关研究成果于2018年10月15日在线发表在Nature Materials期刊上，题目为"High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework”。此前研究中制备的大多数MOFs虽然也是晶体，但是导电性很差或者根本不导电，这主要是因为所用的金属中心配位的有机配体具有绝缘特性。

由德累斯顿工业大学冯新亮教授领导的团队，在室温下开发的这种新型2D金属-有机骨架材料MOF，采用了导电的三角形有机配体，与方形平面Fe原子节点配位，从而在具有高结晶度的同时，获得了很好的导电性。据研究人员表示这些2D MOF构件可高度定制，在室温下就可以自组装成仅有原子厚度的高度有序的2D半导体材料，同时理论上其电子迁移率、带隙、导电性都可以通过适当的化学设计来控制。此外，这种MOF平面几何形状与石墨烯十分相似，因此理论上其在2D平面内传输电流的性能应该也不会差。

由德国马普高分子所Enrique Cánovas 领导的团队对这种新型2D MOFs进行了THz光谱表征，这是一种用来在超快时间尺度（10-12秒）上表征样品电导率的工具，测量距短至10-9米，同时无需添加金属触点。这些特性使得THz光谱能够用来表征这种新型2D MOF材料电导率与频率的相关性，结果表明其与高度结晶的硅半导体一样，遵循Drude模型。在Drude模型中，当施加电压时，电子可以非常容易地在非常长的距离上移动。“根据Drude模型，对这种新型2D MOFs中的太赫兹光谱进行解析，我们推断，其电子迁移率超过此前绝缘MOFs的10000倍以上。“Enrique Canovas博士表示。这意味着这种2D MOFs拥有媲美无机半导体一样的导电性能,为探索MOFs作为电子设备中的有源元件开辟了道路。 这项研究提出的可高度定制的导电MOF为低成本MOF在多种新型电子设备中的应用开辟了道路，例如可以作为薄膜光电器件的活性材料。同时，这种2D MOF材料的化学和结构可调性，提供了无限的想象空间，可用于开发各种基于MOF的功能器件。不过作者也提到，这种新型2D MOF化学成分、电子结构、电导率和电荷载流子迁移率之间的可靠相关性还有待进一步研究确认。该研究过程采用了4电极直流电导率测量(4-probe DC conductivity measurements)及霍尔效应测量(Hall Effect measurements)，这些测量都基于用这种MOF膜材制成的霍尔棒(Hall Bar)进行的。从这种1.7 um厚膜材制作成高精度霍尔棒(Hall Bar)几何形状，LPKF最新推出的超短激光脉冲皮秒激光机ProtoLaser R起到了至关重要的作用。

众所周知的是纳秒激光技术具有完善的技术基础，来源高度可靠，运营成本也很有吸引力。不过，对那些要求最苛刻的加工任务来说，在热影响区的大小、频繁产生的重铸材料或者是表面涂层的分层开裂等方面仍然存在一些限制。激光去除材料的第二种机制建立在皮秒激光光化学烧蚀(左图)基础上。在这种情况下，激光光子直接破坏目标材料的结合键。这相对来说是一种“冷”加工过程，因而热影响区很小。另外，整个加工过程很干净，没有重铸材料，因而很少需要后期再加工。

本篇文章中涉及到High-mobility band-like charge transport in a semiconducting two-dimensional metal–organic framework的诠释转自江苏纳米创新中心，特此鸣谢。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41563-018-0189-z