JACS：首個多孔半導體金屬有機骨架場效應晶體管

【引言】

金屬有機骨架(MOFs)是一類很重要且新穎的多功能晶態材料，它是由金屬離子或團簇與具有一定剛性的有機配體分子所形成的零維、一維或多維的多孔晶態化合物。 在MOFs材料中，一般以金屬離子為連接點，以有機配位體為支撐，以此來構筑3D空間網絡結構。從其結構上看，在這種配合物結構框架中，配體小分子與中心離子之間并不是簡單物理堆積，而是通過一定的化學作用連接在一起，如化學鍵、范德華力、離子鍵及氫鍵作用等。它們的排列具有方向性，引入有特殊性能和結構的配體可以合成結構和功能可預測的且排列可控制的MOFs。MOFs材料是結構化學、材料化學、有機化學以及晶體工程等學科結合的產物，成為一個新的研究領域。 MOFs的發展僅僅數十年歷史，但科學家們卻已合成出不計其數的金屬有機框. 由于其結構的豐富性、可調性、可修飾化和易功能化等特征，使其在氣體選擇性吸收、小分子分離、能源存儲、藥物載體、多相催化以及光電磁學等領域引起人們極大的興趣，成為材料科學研究增長最快的新型材料。

然而，MOFs在微電子領域的研究尚在初步發展階段。具有電導性MOFs材料可以被用于晶體管的活性層，用于制造邏輯集成器件、化學傳感器等。

【成果簡介】

近日，中科院福建物質結構研究所徐剛（通訊作者）和廣州工業大學何軍（通訊作者）等人合作利用電導性MOF材料作為活性溝道材料，制備出多孔MOF場效應晶體管。他們首先利用空氣-液體界面生長方法制備出高質量MOF薄膜，并對其表征，確保其晶體結構有序。而后對制作出的FETs進行電學測試。研究表明：多孔MOF-FET呈現一種P型形態，具有驚人的開關比和出色的場效應遷移率（48.6cm²/v·s），遠高于已報道的液相法制備的有機/無機FETs。

這項工作首次制備出以MOF材料作為活性材料的多孔場效應晶體管，極大地拓展了MOFs材料的應用范圍。而且制作的場效應晶體管表現出驚人的開關比和顯著的載流子遷移率，突出了傳導性MOFs材料在電子器件領域具有巨大的潛力。該工作為MOF材料在微電子領域的應用研究做出了很大的促進作用。

【圖文導讀】

圖1 MOFs材料Ni₃(HITP)₂的結構和表征

(a) Ni₃(HITP)₂的晶體結構；

(b) Ni₃(HITP)₂ 薄膜在空氣-液體界面緩慢形成時的光學成像；

(c) Ni₃(HITP)₂薄膜上表面的SEM圖像；

(d) Ni₃(HITP)₂薄膜上表面的AFM圖像。

Ni₃(HITP)₂是一種具有電導性的MOFs材料，由鎳離子和有機HITP化合物構成的。因其具有類石墨烯的蜂窩晶體結構和出色的電導率，受到科學家的廣泛關注。這種材料剛被發現時，是在石英襯底上通過反應釜沉積制備的，但是制備出的薄膜完整性和光滑性很差。徐剛及其合作者另辟蹊徑，利用空氣-液體界面生長方法制備出高質量的Ni₃(HITP)₂薄膜。

圖2 基于MOF多孔FETs的制備過程

首先是通過簡單的郵票轉移方法，將Ni₃(HITP)₂薄膜轉移到SiO₂/Si襯底上，Ni₃(HITP)₂薄膜的上表面與SiO₂/Si襯底直接接觸，保證了溝道材料與電介質層之間良好的接觸；然后，在通過標準的光刻腐蝕工藝，在Ni₃(HITP)₂薄膜制作出金電極。

作為一類新型多孔電導性材料，半導體MOFs用作場效應晶體管的活性層材料是一件很有意義的事情，因為這意味著MOFs開啟了在電子器件領域的應用研究，并且可以深入探索MOFs材料的電學特性。值得注意的是，對于場效應晶體管而言，完美的半導體-電介質界面是非常重要和必須的。徐剛等人制備出的Ni₃(HITP)₂薄膜具有很高的光滑度和完整性，為制備出合格的多孔MOF-FET器件提供一個很好的契機。

圖3?多孔Ni3(HITP)2-FET的特征曲線

(a) 輸出曲線；(b) 轉移曲線。

對于一個場效應晶體管而言，其電學特性通常通過其轉移曲線和輸出曲線來表征。圖3所示，是多孔MOF-FET的電學特征曲線。器件的輸出曲線表現出良好的線性機制，表明金電極和多孔Ni₃(HITP)₂溝道之間具有良好的歐姆接觸，這有助于電荷注入；輸出曲線斜率隨著柵電壓的步進式增加而緩慢增加，這表明多孔Ni₃(HITP)₂溝道的載流子濃度可以被柵壓有效地調控；并且從輸出曲線中，可以得到多孔Ni₃(HITP)₂薄膜的室溫電導率為40S/cm。轉移曲線中，溝道電流隨著負柵壓的增加而增加，這既證實了輸出曲線的正確性，又表明該器件為P型晶體管，進一步說明Ni₃(HITP)₂是一種以空穴為多數載流子的半導體材料。

【小結】

中科院福建物質結構研究所徐剛和廣州工業大學何軍等人利用空氣-液體界面自組裝方法制備出了完整光滑的半導體多孔MOF薄膜，并將其轉移到SiO₂/Si襯底上，首次制備出以MOF材料作為活性材料的多孔場效應晶體管。這種多孔材料極大地擴展了場效應晶體管在要求溝道材料具有大的表面積和滲透性領域的應用，比如FET-傳感器，柵極離子溝道和微流體芯片。制作的場效應晶體管表現出驚人的開關比和顯著的載流子遷移率。該工作為MOF材料在微電子領域的應用研究做出了很大的促進作用。

文獻鏈接：Porous Field-Effect Transistors Based on a Semiconductive Metal–Organic Framework
（JACS，2016，DOI: 10.1021/jacs.6b08511）

本文由材料人電子電工學術組靈寸供稿，材料牛整理編輯。

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