Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Poröse Halbleiter

28.04.2014

Augsburger Chemikern synthetisierten metallorganische Gerüstverbindungen mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten in der medizinischen Sensorik und in der Photovoltaik.

Chemiker am Institut für Physik der Universität Augsburg berichten im renommierten Fachjournal "Advanced Functional Materials" von neuartigen porösen Verbindungen, deren Halbleiter-Eigenschaften gezielt maßgeschneidert werden können.


(a) Modulartiger Aufbau einer metallorganischen Gerüstverbindung mit halbleitenden Eigenschaften. Gezielte Modifizierung von Bauelementen erlaubt eine exakte Kontrolle der Halbleiter

© Universität Augsburg/ifp

Halbleiter, die niedrige elektronische Bandlücken mit einem für Moleküle zugänglichen System aus nano-dimensionierten Kanälen kombinieren, ermöglichen die Entwicklung von neuartigen multifunktionalen Materialien für vielfältige technische Anwendungen.

Einem Augsburger Forscherteam aus Festkörper-Chemikern und Experimental-Physikern ist es gelungen, durch Anwendung einer Vielzahl spektroskopischer Messmethoden umfassend die elektronischen Eigenschaften einer metallorganischen Gerüstverbindung - MOF für "metal-organic framework" - über einen weiten Temperaturbereich hinweg zu bestimmen.

Die dazu verwendete Gerüstverbindung MFU-4 wurde von Wissenschaftlern um Prof. Dr. Dirk Volkmer am Lehrstuhl für Festkörperchemie der Universität Augsburg bereits vor einiger Zeit synthetisiert (siehe http://www.presse.uni-augsburg.de/unipressedienst/2012/okt-dez/2012_208/)

Metallorganische Gerüstverbindungen werden in einem Baukastensystem erzeugt, in dem sich poröse Materialien für spezielle Anwendungen gezielt herstellen lassen. Wie Volkmers Kollegen Prof. Dr. Alois Loidl und PD Dr. Peter Lunkenheimer vom Augsburger Lehrstuhl für Experimentalphysik V/EKM durch temperaturabhängige dielektrische Messungen nun zeigen konnten, lässt sich die elektronische Bandlücke des Materials MFU-4 – die entscheidende Größe für die elektrische Leitfähigkeit – durch gezielten Austausch von Metall-Ionen in weiten Bereichen anpassen.

So wird z. B. durch den Austausch von Zink- gegen Cobalt-Ionen die elektronische Bandlücke von ursprünglich 3.0 auf ca. 1.8 Elektronenvolt (eV) herabgesetzt. Die resultierende Verbindung - Co-MFU-4 - nähert sich damit in Bezug auf die elektronischen Eigenschaften bekannten Halbleiter-Verbindungen wie etwa Selen oder Cadmiumselenid an, weist aber im Gegensatz zu diesen kompakten anorganischen Halbleitern eine riesige innere Oberfläche von größer als 1000 m2/g auf, was vielfältige Anwendungsperspektiven eröffnet. Vergleichbare Oberflächen und Poren zeigen sonst nur sogenannte Zeolithe, deren intrinsische Bandlücken aber bei wesentlich höheren Energiewerten über 5 eV liegen und die sich deshalb wie Isolatoren verhalten.

Durch quantenmechanische Berechnungen von Dr. Juan Sastre - theoretischer Chemiker an der Polytechnischen Universität Valencia - konnten die elektronischen Eigenschaften für die ungewöhnliche Material-Kombination aus Poren und elektrischer Leitfähigkeit simuliert und genau vorhergesagt werden. Sastres Berechnungen erlauben tiefere Einblicke in Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von metallorganischen Gerüstverbindungen und gezielte Vorhersagen über die Auswirkungen struktureller Modifikationen auf die elektronischen Eigenschaften.

"Dadurch wird es möglich, die Bandlücke von porösen Gerüstverbindungen gezielt einzustellen. Dies wiederum ermöglicht es, z. B. Energie aus Sonnenlicht mit höchster Effizienz zu sammeln und in chemische Energie und Materialien umzuwandeln, beispielsweise in der photokatalytischen Herstellung von Wasserstoff aus Wasser oder der Fixierung von Kohlendioxid", so Volkmer.

Da das poröse MOF-Material von den umzuwandelnden Stoffen vollständig infiltriert wird, ist die Effizienz solcher Umwandlungen vermutlich sehr viel höher als diejenige typischer, bisher verwendeter kompakter Photohalbleiter-Materialien.

Darüber hinaus ergeben sich potentielle Anwendungen im Bereich der Sensorik: Die zu analysierenden Moleküle dringen in die Gerüstverbindung ein und verursachen eine Veränderung der Gitterstruktur und -symmetrie. Die damit einhergehenden Änderungen der Elektronenstruktur können dann – dank halbleitender Eigenschaften – auf direktem elektrischen Wege detektiert werden.

Und mehr noch: metallorganische Gerüstverbindungen sind Nanoschwämme, die solche Moleküle, die exakt in die Poren passen, "aktiv" anreichern. Damit eröffnen sich Perspektiven für die medizinische Diagnostik, etwa bei der Erfassung von kleinsten Mengen flüchtiger Verbindungen in der Atemluft von Patienten, die für bestimmte Krankheitsbilder charakteristisch sind. Denkbar wären entsprechende Sensormodule, in die der Anwender wie bei den bekannten Alkoholtests hineinbläst. "Bis solche "Apps" für Smartphones oder PCs zur Verfügung gestellt werden können, bedarf es aber", wie Volkmer anmerkt, "noch weiterer grundlegender Untersuchungen, an denen wir an der Universität Augsburg derzeit tüfteln."
 
Originalbeitrag:

Pit Sippel, Dmytro Denysenko, Alois Loidl, Peter Lunkenheimer, German Sastre, and Dirk Volkmer: Dielectric Relaxation Processes, Electronic Structure and Band Gap Engineering of MFU-4-type Metal-Organic Frameworks: Towards a Rational Design of Semiconducting Microporous Materials. Advanced Functional Materials, Article first published online: 18 MAR 2014, DOI: 10.1002/adfm.201400083
 
Kontakt:

Prof. Dr. Dirk Volkmer
Lehrstuhl für Festkörperchemie
Universität Augsburg
86135 Augsburg
Telefon +49(0)821-598-3006
dirk.volkmer@physik.uni-augsburg.de
http://www.physik.uni-augsburg.de/chemie/

Klaus P. Prem | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Immunabwehr ohne Kollateralschaden
23.01.2017 | Universität Basel

nachricht Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens
23.01.2017 | Verband Biologie, Biowissenschaften und Biomedizin in Deutschland e.V.

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

An Bord einer Höhenforschungsrakete wurde erstmals im Weltraum eine Wolke ultrakalter Atome erzeugt. Damit gelang der MAIUS-Mission der Nachweis, dass quantenoptische Sensoren auch in rauen Umgebungen wie dem Weltraum eingesetzt werden können – eine Voraussetzung, um fundamentale Fragen der Wissenschaft beantworten zu können und ein Innovationstreiber für alltägliche Anwendungen.

Gemäß dem Einstein’schen Äquivalenzprinzip werden alle Körper, unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften, gleich stark durch die Gravitationskraft...

Im Focus: Quantum optical sensor for the first time tested in space – with a laser system from Berlin

For the first time ever, a cloud of ultra-cold atoms has been successfully created in space on board of a sounding rocket. The MAIUS mission demonstrates that quantum optical sensors can be operated even in harsh environments like space – a prerequi-site for finding answers to the most challenging questions of fundamental physics and an important innovation driver for everyday applications.

According to Albert Einstein's Equivalence Principle, all bodies are accelerated at the same rate by the Earth's gravity, regardless of their properties. This...

Im Focus: Mikrobe des Jahres 2017: Halobacterium salinarum - einzellige Urform des Sehens

Am 24. Januar 1917 stach Heinrich Klebahn mit einer Nadel in den verfärbten Belag eines gesalzenen Seefischs, übertrug ihn auf festen Nährboden – und entdeckte einige Wochen später rote Kolonien eines "Salzbakteriums". Heute heißt es Halobacterium salinarum und ist genau 100 Jahre später Mikrobe des Jahres 2017, gekürt von der Vereinigung für Allgemeine und Angewandte Mikrobiologie (VAAM). Halobacterium salinarum zählt zu den Archaeen, dem Reich von Mikroben, die zwar Bakterien ähneln, aber tatsächlich enger verwandt mit Pflanzen und Tieren sind.

Rot und salzig
Archaeen sind häufig an außergewöhnliche Lebensräume angepasst, beispielsweise heiße Quellen, extrem saure Gewässer oder – wie H. salinarum – an...

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Hybride Eisschutzsysteme – Lösungen für eine sichere und nachhaltige Luftfahrt

23.01.2017 | Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Wie der Nordatlantik zum Wärmepirat wurde

23.01.2017 | Geowissenschaften

Immunabwehr ohne Kollateralschaden

23.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Erstmalig quantenoptischer Sensor im Weltraum getestet – mit einem Lasersystem aus Berlin

23.01.2017 | Physik Astronomie