MOFs (steht für: metal-organic frameworks) bestehen aus metallischen Knotenpunkten und organischen Streben. Sie lassen sich unter anderem zur Katalyse, Stofftrennung und Gasspeicherung einsetzen. Forschenden am Institut für Funktionelle Grenzflächen (IFG) und am Institut für Nanotechnologie (INT) des KIT sowie an der Universität Göttingen, der Freien Universität Berlin und der staatlichen Universität São Paulo in Brasilien ist nun ein entscheidender Durchbruch gelungen: Sie haben erstmals ein MOF in Form einer Dünnschicht hergestellt, das sich wie ein Metall verhält und eine hohe Leitfähigkeit zeigt.
Metallische Leitfähigkeit in MOFs wurde bereits theoretisch vorhergesagt, in der Praxis jedoch bisher nur in Ausnahmefällen verwirklicht – und noch nie in der für technische Anwendungen entscheidenden Dünnschichtform. Bei dieser werden dünne Schichten des MOF auf einem Träger aufgebracht.
„Die Ursache für die geringe elektrische Leitfähigkeit sind Defekte wie etwa Grenzflächen zwischen Kristalldomänen“, erklärt Professor Christof Wöll, Leiter vom IFG des KIT. „Solche Strukturfehler behindern den Elektronentransport. Mit unserem neuen Herstellungsverfahren haben wir die Dichte dieser Defekte deutlich reduziert.“
Das internationale Forschungsteam setzte KI- und robotergestützte Synthese in einem selbststeuernden Labor ein, um Dünnschichten des MOF-Materials Cu3(HHTP)2 zu optimieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Kontrolle der Kristallinität und der Domänengröße. So gelang es, in Cu3(HHTP)2-Dünnschichten bei Raumtemperatur Leitfähigkeiten von über 200 Siemens pro Meter zu erreichen – bei tiefen Temperaturen von minus 173,15 Grad Celsius sogar noch höhere. Dies ist ein klares Merkmal metallischen Verhaltens, das den Weg zum Einsatz von MOF-Dünnschichten in elektronischen Bauteilen ebnet.
MOFs zeigen meist nur geringe elektrische Leitfähigkeit, vermittelt durch Elektronen-Hopping, dessen Frequenz beim Abkühlen stark abnimmt (rote Kurve). In speziellen, hochgeordneten MOFs tritt hingegen echte metallische Leitung auf, bei der die Leitfähigkeit beim Kühlen zunimmt (grüne Kurve). (Grafik: Lena Pilz, KIT)
MOFs zeigen meist nur geringe elektrische Leitfähigkeit, vermittelt durch Elektronen-Hopping, dessen Frequenz beim Abkühlen stark abnimmt (rote Kurve). In speziellen, hochgeordneten MOFs tritt hingegen echte metallische Leitung auf, bei der die Leitfähigkeit beim Kühlen zunimmt (grüne Kurve). (Grafik: Lena Pilz, KIT)
Optimiertes MOF ermöglicht Untersuchung ungewöhnlicher Transportphänomene
Theoretische Untersuchungen zeigen außerdem, dass das MOF-Material Cu3(HHTP)2 Dirac-Kegel aufweist – spezielle elektronische Zustände, wie sie beispielsweise auch bei Graphen zu finden sind.
„Damit eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten, um ungewöhnliche Transportphänomene wie Spin-Flüssigkeiten, in denen auch bei tiefen Temperaturen die Quantenspins ungeordnet bleiben, oder das sogenannte Klein-Tunneln, das heißt die Durchtunnelung von Barrieren durch sehr schnelle Teilchen, experimentell zu untersuchen“, sagt Wöll.
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. „Die Kombination von automatisierter Synthese, vorausschauender Materialcharakterisierung und theoretischer Modellierung eröffnet neue Perspektiven für den Einsatz von MOFs in der Elektronik der Zukunft – von Sensorik über Quantenmaterialien bis hin zu maßgeschneiderten Funktionsmaterialien mit gezielt einstellbaren elektronischen Eigenschaften“, so Wöll.
Originalpublikation (Open Access)
Chatrawee Scheiger, Jonas F. Pöhls, Mersad Mostaghimi, Lena Pilz, Mariana Kozlowska, Yidong Liu, Lars Heinke, Carlos Cesar Bof Bufon, R. Thomas Weitz, Wolfgang Wenzel and Christof Wöll: Dirac-cone induced metallic conductivity in Cu3(HHTP)2: high-quality MOF thin films fabricated via ML-driven robotic synthesis. Materials Horizons, 2025.
