Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) zeichnen sich durch ihre hohe Porosität und strukturelle Variabilität aus. Aufgrund dieser Eigenschaften gelten sie als vielversprechend für Anwendungen in der Elektronik. Ein bisheriges Problem: ihre geringe elektrische Leitfähigkeit, die ihren Einsatz einschränkt.
Forschende vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT), gemeinsam mit Teams aus Göttingen, Berlin und São Paulo, haben mithilfe eines KI- und robotergestützten Labors eine dünne MOF-Schicht entwickelt, die metallische Leitfähigkeit erreicht – ein bedeutender Fortschritt für elektronische und energetische Anwendungen.
MOFs bestehen aus metallischen Knoten und organischen Verbindern und werden eingesetzt z. B. in Katalyse, Trennung und Gasspeicherung. Der große Fortschritt: erstmals wurde eine dünne MOF-Filmform produziert, die sich tatsächlich wie ein Metall verhält.
Technische Umsetzung
„Die Ursache für die geringe elektrische Leitfähigkeit sind Defekte wie etwa Grenzflächen zwischen Kristalldomänen“, erklärt Professor Christof Wöll, Leiter vom IFG des KIT. „Solche Strukturfehler behindern den Elektronentransport. Mit unserem neuen Herstellungsverfahren haben wir die Dichte dieser Defekte deutlich reduziert.“
Im automatisierten Labor wurde das MOF Cu₃(HHTP)₂ in Dünnschichtform optimiert. Durch präzise KI-Kontrolle konnten Kristallinität und Domänengröße ideal eingestellt werden – mit dem Ergebnis: bei Raumtemperatur über 200 S/m Leitfähigkeit, bei –173 °C sogar noch stärker, was metallisches Verhalten bestätigt.
Typischerweise zeigen MOFs geringe Leitfähigkeit durch Elektronen-Hopping (rote Kurve), die beim Kühlen stark sinkt. Anders bei diesen hochgeordneten MOFs: die Leitfähigkeit steigt beim Kühlen an (grüne Kurve) – ein Kennzeichen metallischen Verhaltens.
Neue Forschungsmöglichkeiten
Theoretische Studien zeigen, dass Cu₃(HHTP)₂ Dirac‑Kegel besitzt – ähnliche Elektronenstruktur wie Graphen.
„Damit eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten, um ungewöhnliche Transportphänomene … experimentell zu untersuchen“, sagt Wöll.
Potenzial & Ausblick
Die Kombination aus automatisierter Synthese, vorausschauender Charakterisierung und theoretischer Modellierung schafft neue Chancen: von Sensorik über Quantenmaterialien bis hin zu maßgeschneiderten Funktionswerkstoffen mit spezifischen elektronischen Eigenschaften.
Angaben zur Publikation
Originalpublikation (Open Access):
Chatrawee Scheiger et al.: Dirac-cone induced metallic conductivity in Cu₃(HHTP)₂: high-quality MOF thin films fabricated via ML-driven robotic synthesis. Materials Horizons, 2025.
