17/10/2018
Door Ad Spijkers
Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz hebben – samen met collega's uit Dresden, Leipzig, Sofia en Madrid – een nieuw metaal-organisch materiaal ontwikkeld, dat met kristallijn silicium vergelijkbare eigenschappen heeft.
Bij de productie van elektronische componenten zoals zonnecellen, LED's of computerchips wordt vooral silicium gebruikt. Voor deze toepassingen is zeer zuiver silicium nodig, waarvan de productie duur is. De onderzoekers hebben een nieuw en goedkoop materiaal ontwikkeld, een metaal-organisch netwerk (metal-organic framework of MOF), dat met silicium vergelijkbare elektrische eigenschappen heeft.
Het in Dresden geproduceerde MOF is een hoogkristallijne vaste stof, bestaande uit ijzerionen die via organische moleculen met elkaar zijn verbonden. In tegenstelling tot zuiver silicium kan dit materiaal bij kamertemperatuur worden geproduceerd. De samenstelling, aard en elektronische eigenschappen kunnen tijdens het productieproces eenvoudig worden aangepast.
Geleiding
In het verleden opgebouwde netwerken vertoonden geen of slechts zeer geringe elektrische geleidbaarheid. Dit verhinderde het gebruik in opto-elektronische componenten, waar voldoende beweeglijkheid van de elektronen in het materiaal nodig is voor het opwekken van een elektrisch veld. Met het nieuw geproduceerde MOF hebben de onderzoekers aangetoond dat de elektronen in dit materiaal zich net als in silicium gedragen.
Dit gedrag volgt het zogeheten Drude-model (naar de Duitse fysicus Paul Drude). Dit houdt in dat de materiaal-elektronen zich bij het opwekken van een extern elektrisch veld – een spanning dus – bijna vrij kunnen bewegen. Dit gedrag is het best waar te nemen in anorganische en in hoge mate geordende kristallen zoals silicium. Het werd tot nu toe nauwelijks waargenomen in organische materialen omdat deze normaal gesproken een ongeordende structuur hebben.
Terahertz-spectroscopie
Voor het karakteriseren van de unieke eigenschappen van het gevormde netwerk hebben de onderzoekers de ultrasnelle terahertz-spectroscopie gebruikt. Deze technologie maakt een meting van het geleidend vermogen mogelijk zonder fysiek en daarmee verstorend contact met het materiaal. Hierbij wordt via een laserpuls in het zichtbare spectrale bereik eerst energie overgebracht naar de elektronen van het materiaal
Met een tweede laserpuls – een zogeheten terahertzpuls, die ongeveer een factor duizend langzamer trilt dan zichtbaar licht – kan de geleidbaarheid van deze geprikkelde elektronen worden bepaald. Dit resulteert in een van de frequentie afhankelijk geleidbaarheidssignaal, waardoor de wetenschappers het Drude-gedrag konden verifiëren.
Door deze metingen konden ze record-mobiliteiten van de elektronen in het materiaal meten, die de mobiliteit van isolerende MOF's met een factor 10.000 overtreffen. Bij het aanleggen van een elektrisch veld kunnen de elektronen zich eenvoudig over grote afstanden door het MOF bewegen, een effect dat in 1000 µm lange proefstukken kon worden gemeten. Hiermee maakt het nieuwe materiaal de weg vrij voor het gebruik van metaal-organische netwerken in de opto-elektronica.
In de toekomst willen de onderzoekers de elektronische eigenschappen van het materiaal direct bij de productie van de MOF kunnen modificeren en voorspellen.