Dünne MOF-Filme mit photoschaltbaren elektronischen Eigenschaften und Ein-Aus-Leitfähigkeit
| Konsortium: | |
| PD Dr. Lars Heinke Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Institute of Functional Interfaces (IFG) | |
| Prof. Dr. Wolfgang Wenzel Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Institute of Nanotechnology (INT) | |
| Prof. Stefan Hecht, PhD RWTH Aachen Institut für Technische und Makromolekulare Chemie, and DWI Leibniz-Institute for Interactive Materials | |
| Projekt: | Dünne MOF-Filme mit photoschaltbaren elektronischen Eigenschaften und Ein-Aus-Leitfähigkeit |
| Zusammenfassung: | Dünne Filme aus oberflächenverankerten metallorganischen Gerüsten (SURMOFs) mit photoschaltbaren elektronischen Eigenschaften und Leitfähigkeitswerten, die über viele Größenordnungen reversibel verändert werden können, sind das Ziel dieses Projekts. Basierend auf dem Machbarkeitsnachweis, dass MOFs mit eingebettetem Spiropyran das Fernsteuern der elektrischen Leitung ermöglichen, werden wir photoschaltbare MOF-Dünnfilme herstellen, wo die Spiropyran-Photoschalter definierte Positionen mit festen intermolekularen Abständen und Orientierungen haben. Dort wird, wie ab-initio-Berechnungen des Ladungstransfers zeigen, ein Ein-Aus-Leitfähigkeitsverhältnis von mehr als drei Größenordnungen erreicht, und die Leitfähigkeit sowie die Leitfähigkeitsschaltung werden stark anisotrop sein. Darüber hinaus werden durch organische Funktionalisierung der Photoschalter im MOF die HOMO- und LUMO-Niveaus so abgestimmt, dass ein kontrolliertes Schalten zwischen Elektronen(n)- und Loch(p)-Leitung möglich ist. Zur Demonstration der Device-Implementierung werden zweischichtige Filme hergestellt, bei denen der Top-Down-Strom durch einen funktionellen, lichtdetektierenden SURMOF (obere Schicht) mittels der Spiropyran-SURMOF-Schicht mit schaltbarer Leitfähigkeit (untere Schicht) ein- oder ausgeschaltet wird. Außerdem wird die Anwendung in der adaptiven und konfigurierbaren Elektronik untersucht, bei der „leitende Drähte“ in großflächigen SURMOF-Filmen durch fokussierte Lichtbestrahlung reversibel geschrieben werden, mit dem langfristigen Ziel, photoprogrammierbare Geräte für das optische Rechnen, Speichern und Anzeigen zu realisieren. In diesem Projekt decken wir die gesamte Forschungskette von der Synthese maßgeschneiderter lichtschaltbarer organischer Moleküle, über die Herstellung und Untersuchung der photoschaltbaren MOF-Filme bis hin zur Demonstration der Systemintegration in Kombination mit quantenmechanischen Berechnungen und Multiskalenmodellierung der Schalt- und Ladungstransportprozesse ab, um ein detailliertes Verständnis und Richtlinien für das device-Design zu erhalten. |
| Publikationen: | |
| S. Klyatskaya, A.B. Kanj, C. Molina-Jirón, S. Heidrich, L. Velasco, C. Natzeck, H. Gliemann, S. Heissler, P. Weidler, W. Wenzel, C.C. Bof Bufon, L. Heinke, C. Wöll, M. Ruben "Conductive Metal–Organic Framework Thin Film Hybrids by Electropolymerization of Monosubstituted Acetylenes" ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12, 30972–30979 | |
| R. Haldar, M. Jakoby, M. Kozlowska, M.R. Khan, H. Chen, Y. Pramudya, B.S. Richards, L. Heinke, W. Wenzel, F. Odobel, S. Diring, I.A. Howard, U. Lemmer, C. Wöll "Tuning Optical Properties by Controlled Aggregation: Electroluminescence Assisted by Thermally-Activated Delayed Fluorescence from Thin Films of Crystalline Chromophores" Chem. Eur. J., 2020, 262020, 17016 –17020 | |
| Y. Jiang, L. Heinke "Photoswitchable Metal-Organic Framework Thin Films: From Spectroscopy to Remote-Controllable Membrane Separation and Switchable Conduction" ACS Langmuir, 2021, 37, 2–15 | |
| A. Chandresh, X. Liu, C. Wöll, L. Heinke "Programmed Molecular Assembly of Abrupt Crystalline Organic/Organic Heterointerfaces Yielding Metal-Organic Framework Diodes with Large On-Off ratios" Advanced Science, 2021, 2001884 | |
| M. Vazquez, M. Liu, Z. Zhang, A. Chandresh, A.B. Kanj, W. Wenzel, L. Heinke "Structural and Dynamic Insights into the Conduction of Lithium-Ionic-Liquid Mixtures in Nanoporous Metal–Organic Frameworks as Solid-State Electrolytes" ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 21166−21174 | |
| A.B. Kanj, J. Bürck, N. Vankova, C. Li, D. Mutruc, A. Chandresh, S. Hecht, T. Heine, L. Heinke "Chirality Remote Control in Nanoporous Materials by Circularly Polarized Light" J. Am. Chem. Soc., 2021, 143, 7059−7068 DOI: 10.1021/jacs.1c01693 | |
| A. Chandresh, Z, Zhang. L. Heinke "Insights in the Ionic Conduction inside Nanoporous Metal-Organic Frameworks by Using an Appropriate Equivalent Circuit" MDPI Materials, 2021, 14, 4352. DOI: 10.3390/ma14164352 | |
| P. Qin, S. Okur, C. Li, A. Chandresh, D. Mutruc, S. Hecht, L. Heinke "A photoprogrammable electronic nose with switchable selectivity for VOCs using MOF films" Chem. Sci., 2021, 12, 15700–15709 DOI: 10.1039/D1SC05249G | |
| Z. Zhang, M. Liu, C. Li, W. Wenzel, L. Heinke "Controlling the Mobility of Ionic Liquids in the Nanopores of MOFs by Adjusting the Pore Size: From Conduction Collapse by Mutual Pore Blocking to Unhindered Ion Transport" Small, 2022, 2200602 | |
| Z. Zhang, D. Mutruc, S. Hecht, L. Heinke "Optical and chemical control of the wettability of nanoporous photoswitchable films" ChemComm, 2022, 58, 13963 – 13966. DOI: 10.1039/D2CC03862E | |
| C. Li, H. Schopmans, L. Langer, S. Marschner, A. Chandresh, J. Bürck, Y. Tsuchiya, A. Chihaya, W. Wenzel, S. Bräse, M. Kozlowska, L. Heinke "Twisting of Porphyrin by Assembly in a Metal-Organic Framework yielding Chiral Photoconducting Films for Circularly Polarized Light Detection" | |
| Mersad Mostaghimi, Helmy Pacheco Hernandez, Yunzhe Jiang, Wolfgang Wenzel, Lars Heinke, Mariana Kozlowska "On–off conduction photoswitching in modelled spiropyran-based metal-organic frameworks" Communications Chemistry, 2023, 6, 275 | |
| Mersad Mostaghimi, Celso R. C. Rêgo, Ritesh Haldar, Christof Wöll, Wolfgang Wenzel and Mariana Kozlowska "Automated Virtual Design of Organic Semiconductors Based on Metal-Organic Frameworks" Frontiers in Materials, 2023, 840644 | |
| J.C. Fischer, C. Li, S. Hamer, L. Heinke, R. Herges, B.S. Richards, I.A. Howard "GIWAXS Characterization of Metal-Organic Framework Thin Films and Heterostructures: Quantifying Structure and Orientation" Adv. Mater. Interfaces, 2023, 220225 | |
| A. Chandresh, C. Wöll, L. Heinke "Metal-Organic Framework Thin Films Grown on Functionalized Graphene as Solid-State Ion-Gated FETs" Adv. Funct. Mater. 2023, 2211880 | |
| B. Zerulla, C. Li, D. Beutel, S. Oßwald, C. Holzer, J. Bürck, S. Bräse, C. Wöll, I. Fernandez-Corbaton, L. Heinke, C. Rockstuhl, M. Krstić "Exploring Functional Photonic Devices made from a Chiral Metal–Organic Framework Material by a Multiscale Computational Method" Adv. Funct. Mater. 2023, 2301093 | |
| K. Zhan, Y. Jiang, L. Heinke "Optical sensor array of chiral MOF-based Fabry–Pérot films for enantioselective odor sensing" Chem. Commun., 2023, 59, 8704–8707 DOI: 10.1039/D3CC01298K | |
| K. Zhan, Y. Jiang, P. Qin, Y. Chen, L. Heinke "A Colorimetric Label-Free Sensor Array of Metal–Organic-Framework-Based Fabry–Pérot Films for Detecting Volatile Organic Compounds and Food Spoilage" Adv. Mater. Interfaces, 2023, 2300329 | |
| K. Zhan, P. Qin, Y. Jiang, Y. Chen, L. Heinke "Optical sensor array of metal-organic-framework-based inverse opal films for the detection and identification of various alcohols" Sens. Actuators B Chem., 2023, 393, 134271 | |
| A.B. Kanj, L. Heinke "Guest Uptake and Exchange in One-Dimensional Channels of Metal-Organic-Framework Films" Chem. Ing. Tech., 2023, 95, 1858–1864 |