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 In Hochleistungs-Mais sind mehr Gene aktiv
19.01.2018 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Warum es für Pflanzen gut sein kann auf Sex zu verzichten
19.01.2018 | Universität Wien

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: Maschinelles Lernen im Quantenlabor

Auf dem Weg zum intelligenten Labor präsentieren Physiker der Universitäten Innsbruck und Wien ein lernfähiges Programm, das eigenständig Quantenexperimente entwirft. In ersten Versuchen hat das System selbständig experimentelle Techniken (wieder)entdeckt, die heute in modernen quantenoptischen Labors Standard sind. Dies zeigt, dass Maschinen in Zukunft auch eine kreativ unterstützende Rolle in der Forschung einnehmen könnten.

In unseren Taschen stecken Smartphones, auf den Straßen fahren intelligente Autos, Experimente im Forschungslabor aber werden immer noch ausschließlich von...

Im Focus: Artificial agent designs quantum experiments

On the way to an intelligent laboratory, physicists from Innsbruck and Vienna present an artificial agent that autonomously designs quantum experiments. In initial experiments, the system has independently (re)discovered experimental techniques that are nowadays standard in modern quantum optical laboratories. This shows how machines could play a more creative role in research in the future.

We carry smartphones in our pockets, the streets are dotted with semi-autonomous cars, but in the research laboratory experiments are still being designed by...

Im Focus: Fliegen wird smarter – Kommunikationssystem LYRA im Lufthansa FlyingLab

• Prototypen-Test im Lufthansa FlyingLab
• LYRA Connect ist eine von drei ausgewählten Innovationen
• Bessere Kommunikation zwischen Kabinencrew und Passagieren

Die Zukunft des Fliegens beginnt jetzt: Mehrere Monate haben die Finalisten des Mode- und Technologiewettbewerbs „Telekom Fashion Fusion & Lufthansa FlyingLab“...

Im Focus: Ein Atom dünn: Physiker messen erstmals mechanische Eigenschaften zweidimensionaler Materialien

Die dünnsten heute herstellbaren Materialien haben eine Dicke von einem Atom. Sie zeigen völlig neue Eigenschaften und sind zweidimensional – bisher bekannte Materialien sind dreidimensional aufgebaut. Um sie herstellen und handhaben zu können, liegen sie bislang als Film auf dreidimensionalen Materialien auf. Erstmals ist es Physikern der Universität des Saarlandes um Uwe Hartmann jetzt mit Forschern vom Leibniz-Institut für Neue Materialien gelungen, die mechanischen Eigenschaften von freitragenden Membranen atomar dünner Materialien zu charakterisieren. Die Messungen erfolgten mit dem Rastertunnelmikroskop an Graphen. Ihre Ergebnisse veröffentlichen die Forscher im Fachmagazin Nanoscale.

Zweidimensionale Materialien sind erst seit wenigen Jahren bekannt. Die Wissenschaftler André Geim und Konstantin Novoselov erhielten im Jahr 2010 den...

Im Focus: Forscher entschlüsseln zentrales Reaktionsprinzip von Metalloenzymen

Sogenannte vorverspannte Zustände beschleunigen auch photochemische Reaktionen

Was ermöglicht den schnellen Transfer von Elektronen, beispielsweise in der Photosynthese? Ein interdisziplinäres Forscherteam hat die Funktionsweise wichtiger...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Kongress Meditation und Wissenschaft

19.01.2018 | Veranstaltungen

LED Produktentwicklung – Leuchten mit aktuellem Wissen

18.01.2018 | Veranstaltungen

6. Technologie- und Anwendungsdialog am 18. Januar 2018 an der TH Wildau: „Intelligente Logistik“

18.01.2018 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rittal vereinbart mit dem Betriebsrat von RWG Sozialplan - Zukunftsorientierter Dialog führt zur Einigkeit

19.01.2018 | Unternehmensmeldung

Open Science auf offener See

19.01.2018 | Geowissenschaften

Original bleibt Original - Neues Produktschutzverfahren für KFZ-Kennzeichenschilder

19.01.2018 | Informationstechnologie