Materialien: Metallorganische Gerüste mit metallischer Leitfähigkeit

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) zeichnen sich durch hohe Porosität und eine anpassbare Struktur aus. Sie besitzen enormes Potenzial, zum Beispiel für Anwendungen in der Elektronik. Doch bisher schränkte ihre geringe elektrische Leitfähigkeit ihren Einsatz stark ein. Mithilfe von KI- und robotergestützter Synthese in einem selbststeuernden Labor ist es Forschenden des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit Kolleginnen und Kollegen in Deutschland und Brasilien nun gelungen, eine MOF-Dünnschicht anzufertigen, die Strom leitet wie Metalle. Damit eröffnen sich in der Elektronik und der Energiespeicherung – von Sensorik über Quantenmaterialien bis hin zu Funktionswerkstoffen – neue Möglichkeiten. Das Team berichtet in der Fachzeitschrift Materials Horizons. (DOI: 10.1039/d5mh00813a)

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.

Neues Herstellungsverfahren minimiert Defekte in MOFs

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.

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. DOI: 10.1039/d5mh00813a

Details zum KIT Center Materials in Technical and Life Sciences (MaTeLiS)

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