界面自组装半导体金属有机框架薄膜及其在多孔场效应晶体管中的应用

Semiconductive metal-organic frameworks (MOFs) are a new kind of semiconductors with a combination of porosity and electrical conductivity. The device of porous field-effect transistors (FETs) based on semiconductive MOFs not only has potentially unique applications in the fields of ion channels, microfluidic chips, high-sensitivity gas / ion sensors, etc., it can also be served as an effective tool to study the electrical properties of MOF semiconductors. However, the reported semiconductive MOF thin films possess rough surfaces and high surface defects, which are not conducive to the development of FET devices. Lack of high-quality semiconductive MOF thin films is a critical bottleneck for development of MOF-FET devices. Therefore, this project propose intends to use a smooth liquid interface to obtain high-quality self-assembled semiconductive crystalline MOF thin films, and simultaneously demonstrate the interfacial self-assembly mechanism of semiconductive MOF thin films. Furthermore, through a detailed study of the electrical properties of as-prepared MOF-FETs, the mechanisms of the conduction and interface electron transport in MOF semiconductors are going to be revealed. Thus, the intrinsical relation from chemical preparation to film structure to film electrical properties is going to be established. The study will lay a solid material、device and theoretical foundation for the development of both preparation of high-quality semiconductive MOF thin films and fabrication of high-performance porous MOF-FETs. It will also provide the basis and reference for the design of other semiconductor devices involving interface effect.

半导体金属有机框架（MOFs）是一类集多孔性与导电性于一体的新型半导体材料。基于半导体MOFs的多孔场效应晶体管（FETs）器件不仅在离子通道、微流控芯片、高灵敏度气体/离子传感器等领域拥有潜在独特的应用，还可以作为一种有效的工具研究半导体MOF材料的基本电学性质。然而，目前报道的导电MOF薄膜表面粗糙且缺陷多，不利于FET器件的研制。缺乏高质量的导电MOF薄膜成为制约MOF-FET器件的一个关键瓶颈。本项目拟利用液相平整的界面进行自组装获得高质量半导体晶态MOF薄膜，同时阐明半导体MOF薄膜界面自组装形成机理，通过详细研究MOF-FETs的电学特性，揭示半导体MOF薄膜导电机理和界面电子输运机制，建立起从化学制备-薄膜结构-薄膜电学性质的内在联系。上述研究将为研制高质量半导体MOF薄膜以及高性能多孔MOF-FETs奠定坚实的材料、器件、理论基础，也为设计其它界面半导体器件提供依据与参考。

金属有机框架(Metal Organic Frameworks, MOFs),是一类由有机配体和无机金属离子/金属簇自组装形成的新型晶态多孔材料。最近，具有电子导电性质的MOFs获得极大的关注和发展。不同于常规的有机半导体和无机半导体，导电MOFs是新出现的一类无机-有机杂化分子基半导体材料，集多孔性与半导体特性于一体。其丰富可设计的晶体结构和可调节的电子能带结构等优势使得导电MOFs在新型半导体器件领域具有很高的研究价值和应用潜力。作为一类重要的半导体器件，场效应晶体管（Field-effect Transistors, FETs）是众多电子产品的基本单元器件，不仅在逻辑电路、平板显示、存储器等传统微电子领域具有举足轻重的作用，在可穿戴式电子产品、仿生电子器件、柔性/透明电子器件等新兴领域也极具重要的应用潜力。然而目前为止，利用导电MOFs构筑多孔MOFs-FET器件却未见报道。. 本项目利用液-气界面处自组装分别获得高质量的晶态电子导电MOF（Ni-HITP）和质子导电MOF（Cu-TCPP），并通过此前发展的“印章法”把导电MOF薄膜高质量地转移到Si/SiO2衬底上，分别成功制作出多孔电子型和质子型MOF-FET器件。益于界面自组装高质量的导电MOF薄膜，两类MOF-FET器件都具有优异的电学性能。尤其是电子型MOF-FET，器件的空穴迁移率最高达48.6 cm2 V-1•s-1，这一数值高于绝大多数基于溶液法制备的有机或无机FET器件的场效应迁移率。本项目电子型和质子型MOF-FET器件的成功研制为MOF材料在电学器件方面的研究开拓了新方向，同时为传统半导体器件注入新的材料和功能，也为研究MOFs电学性能提供了有效的新工具。