Uudenlaisia MOF-materiaaleja nanoelektroniikalle

Kansainvälisellä tutkimustyöllä onnistuttiin kehittämään neljä innovatiivista materiaalia, joiden sähkönjohtavuus ja puolijohdemainen käyttäytyminen avaavat uusia mahdollisuuksia elektronisten ominaisuuksien tarkkaan hallintaan.

Ryhmä kulta-atomeja, joita kutsutaan kultananoklustereiksi, voi käyttäytyä kuin yksittäiset atomit. Kun nämä klusterit liitetään toisiinsa kolmiulotteiseksi verkostoksi metalli-ionien avulla, syntyy uusia materiaaleja, joiden ominaisuuksia voidaan hienosäätää tarkasti eri käyttötarkoituksiin. Näin aikaansaatuja materiaaleja kutsutaan klusteripohjaisiksi MOF-materiaaleiksi.

Pohangin yliopiston (Etelä-Korea) ja Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tuoreessa tutkimusyhteistyössä onnistuttiin valmistamaan neljä uutta MOF-materiaalia kultananoklustereista.

- Havaitsimme tutkimuksessamme, että klustereiden välisen etäisyyden pienentäminen paransi materiaalin sähkönjohtavuutta jopa 31-kertaisesti, selventää laskennallisen nanotieteen professori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta.

Tiheysfunktionaaliteoriaan perustuvat supertietokonelaskelmat osoittivat, että näiden materiaalien elektroniset ominaisuudet ovat lähellä perinteisiä puolijohdemateriaaleja. Tutkimus osoitti myös, että klustereita yhdistävän metalli-ionin elektronirakenne vaikuttaa merkittävästi materiaalin johtavuuteen. Edelleen laskelmat paljastavat puolijohdemaisia elektronisia rakenteita ja korostavat, että Cu2+ -koordinoiduilla kehyksillä on tehokkaampi varauksen kuljetus Fermin tason lähellä olevien Cu 3d -tilojen ansiosta.

- Yksittäisten kultaklustereiden ominaisuudet ovat jo hyvin tunnettuja ja tutkittuja. Klustereiden yhdistäminen verkostoiksi erilaisten metalli-ionien kautta mahdollistaa materiaalien suunnittelun ja niiden elektronisten ominaisuuksien muokkaamisen tarkasti. Erityisesti näiden materiaalien puolijohdemainen käyttäytyminen ja säädettävä johtavuus avaavat uusia mahdollisuuksia nanoelektroniikassa, kertoo väitöskirjatutkija Hanna Jääskö Jyväskylän yliopistosta.

Laskennallinen tutkimus oli osa Suomen kvanttilippulaivan tohtorikoulutuksen pilottiohjelmaa (Quantum Doctoral Pilot Programme, QDoc), jossa Hanna Jääskön väitöskirjaprojektin tavoitteena on tutkia klusteripohjaisia materiaaleja ja niiden mahdollisia sovelluskohteita esimerkiksi kvanttiteknologiassa ja kvanttimateriaaleina.

Aiheesta aiemmin:

Tunnelointi ja MOF Nobelin palkinnon arvoisia

Askel kohti vihreämpiä valaistus- ja näyttöteknologioita

Metallin tavoin johtavia MOFeja