Genial zweidimensional: Neue Erkenntnisse liefern Basis für innovative Materialentwicklung

MOFs (metal-organic frameworks) sind mikroporöse Materialien, aufgebaut aus Schichten von anorganischen Baueinheiten, die durch organische Moleküle verbunden sind. Grafik: Uni Graz/Brandstetter

Wenn man immer dünnere Materialien anstrebt, erreicht man schließlich die zweidimensionale (2D) Grenze, an der das Material nur noch wenige Atome oder sogar nur ein Atom dünn ist. Diese Materialien erhalten einzigartige mechanische, elektronische und optische Eigenschaften, die ein großes Potenzial für innovative Technologien bergen, beispielsweise für die Energieumwandlung und -speicherung. Physiker:innen der Uni Graz und des Forschungszentrums Jülich gelang nun ein Durchbruch bei der Entwicklung und Charakterisierung sogenannter 2D-MOFs, einer besonderen Art von zweidimensionalen Materialien. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler:innen in den renommierten Fachmagazinen ACS Nano und Advanced Science.

2D-MOFs bestehen aus Metallatomen, die durch organische, also kohlenstoffbasierte Moleküle verbunden sind. Damit vereinen sie das Beste aus beiden Welten: Eigenschaften von Metallen und organischen Materialien. Das macht sie zu Hoffnungsträgern für ein breites Spektrum an Zukunftstechnologien, die elektronische Geräte kleiner, intelligenter und effizienter machen könnten.

Physiker:innen der Uni Graz und des Forschungszentrums Jülich fanden gemeinsam direkte Beweise dafür, wie durch die hierarchische Anordnung von Übergangsmetallen und organischen Verbindungselementen, sogenannten Linkers, Bandstrukturen im 2D-MOF-Gitter entstehen. Darüber hinaus belegen die Forschungen die damit verbundenen multifunktionalen elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Materialien.

„Die Ergebnisse unserer beiden Studien bieten eine neue Perspektive, wie elektronische Bandstrukturen in 2D-MOFs maßgeschneidert werden können, und ebnen den Weg für die Integration dieser Materialien in zukünftige elektronische und photonische Bauelemente“, unterstreicht Peter Puschnig die Bedeutung der Publikation. Der Leiter der Arbeitsgruppe „Elektronische Struktur von Nanomaterialien“ am Institut für Physik der Uni Graz war mit Dominik Brandstetter und Andreas Windischbacher für die theoretischen Untersuchungen im Projekt verantwortlich. Die Kolleg:innen des Forschungszentrums Jülich führten die Experimente durch.

Publikationen:

Emergence of Band Structure in a Two-Dimensional Metal-Organic Framework upon Hierarchical Self-Assembly
D. Baranowski, M. Thaler, D. Brandstetter, A. Windischbacher, I. Cojocariu, S. Mearini, V. Chesnyak, L. Schio, L. Floreano, C. Gutiérrez Bolaños, P. Puschnig, L.L. Patera, V. Feyer, C.M. Schneider, ACS Nano, 18 (30), 19618-19627 (2024)
https://doi.org/10.1021/acsnano.4c04191

Band Structure Engineering in 2D Metal-Organic Frameworks
S. Mearini, D. Baranowski, D. Brandstetter, A. Windischbacher, I. Cojocariu, P. Gargiani, M. Valvidares, L. Schio, L. Floreano, P. Puschnig, V. Feyer und C.M. Schneider, Adv. Sci. (2024) 2404667
https://doi.org/10.1002/advs.202404667

Gudrun Pichler & Regine Panknin

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