Les charpentes métal-organiques (MOF) sont des matériaux hybrides organiques-inorganiques poreux cristallins qui, en remplissant leurs pores de molécules invitées, peut créer des fonctionnalités grâce à des interactions entre les structures à base organique-inorganique du MOF (hôte) et ses molécules invitées. Cette chimie hôte-invité a le potentiel d'apporter des propriétés électriques « conceptionnelles », permettant à un matériau d'être organisé d'une manière jamais possible auparavant, ouvrant la voie à la prochaine génération d'appareils intelligents à couche mince.

"Toutefois, la plupart des MOF présentent une mauvaise conductivité électrique, " déclare le professeur Masahide Takahashi, "en raison de la nature isolante des lieurs organiques et des écarts entre les formes variées qui composent le matériau cristallin." Son groupe de recherche de l'Université de la préfecture d'Osaka, La Graduate School of Engineering a développé une méthode pour concevoir et contrôler le chemin du flux d'électrons dans un matériau polycristallin et a réalisé un matériau à couche mince qui présente une conductivité élevée dans une direction contrôlable. Leur travail a été signalé le 4 juin, 2021, dans le Journal de la chimie des matériaux A .

Considérez le flux d'électrons créé par l'interaction entre le MOF hôte et ses molécules invitées. Imaginez un matériau hôte composé d'un cristal de même forme, comme un conducteur monocristallin vierge. Comme toute la masse est une forme, il n'y aurait pas d'espace entre ses molécules invitées, et donc une grande conductivité. L'inconvénient est que le traitement de ce matériau pour fabriquer d'autres appareils nécessiterait des températures et une pression élevées et un contrôle précis de l'atmosphère pour maintenir sa forme uniforme. Jusqu'à présent, cela s'est avéré peu pratique. Un matériau polycristallin est composé de petits cristaux de taille et de forme variables. Cela le libère du même obstacle de maintenir une forme uniforme pendant le traitement, ce qui en fait un matériau candidat pour la fabrication d'une large gamme de dispositifs à couches minces de nouvelle génération. Cependant, "pour présenter des fonctions de conductivité similaires à celles des monocristaux, nous aurions besoin d'une méthode pour aligner les grains de cristal sans lacunes », déclare le professeur agrégé Kenji Okada.

Ces grains cristallins dans les MOF sont comme des pores de taille moléculaire qui peuvent accueillir des molécules spécifiques à une orientation et un espacement spécifiques. Au lieu de trouver comment aligner la forme de chaque pore sur chaque molécule pour faciliter la conductivité, l'équipe s'est concentrée sur les régularités des groupes hydroxyles de surface des hydroxydes métalliques. En utilisant une combinaison d'appariement de réseau et de liaison d'interface, l'équipe a déterminé deux types de relations d'orientation, ou des chemins conducteurs, et réalisé une orientation où le chemin dans le plan était 10 fois plus conducteur que l'autre.

"En combinant l'approche de croissance épitaxiale avec la technologie de lithographie UV, " déclare le professeur Takahashi, « nous avons pu créer des films MOF polycristallins semi-conducteurs orientés quelle que soit la forme des cristaux individuels. »