刘云圻课题组在金属有机框架材料薄膜的可控生长方面取得新进展

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二维纳米材料制备技术的快速发展为高性能电子器件的设计与应用提供了重要基础。由于电子器件需要在介电层上进行组装与集成，因此，研究有机分子的自组装行为，在绝缘衬底表面上直接构筑均匀的二维纳米材料对于研究材料的基本物理性质、开发规模化应用具有重要意义。

图1 (a) 二维Cu2(TCPP) MOFs的结构示意图；(b) XRD；(c) HRAFM图像；(d) (100)面的Cryo-TEM图像；(e) (001)面的Cryo-TEM图像。

　　在国家自然科学基金委和中国科学院战略性先导科技专项（B类）的支持下，化学所有机固体实验室的科研人员在金属有机框架 (MOF) 材料的可控组装与规模化制备方面开展了系列研究。 他们以六羟基苯并菲(HHTP)为有机配体，通过化学气相沉积技术研究了水-氧气氛对晶体生长的影响，制备了高质量的Cu3(HHTP)2 MOF材料 (Mater. Chem. Front. 2020, 4, 243)；利用电化学技术，以六羟基苯并菲、苯-1,3,5-三基三硼酸(BTPA)、2,4,6-三羟基-1,3,5-苯三甲醛(TBTC)等为有机配体，通过施加外电压使其向阳极迁移并与解离出的铜离子在阳极表面发生配位反应，制备了均匀的二维Cu3(HHTP)2、Cu3(BTPA)2、Cu3(TBTC)2 等MOF薄膜，并将它们转移到硅片衬底上，组装了电子器件(Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 2887)。
　　最近，该研究团队从毛细现象中获得灵感，提出了制备二维MOF薄膜的限域生长策略。该方法利用毛细力将制备二维MOF薄膜的铜离子和5,10,15,20-四(4-羧基苯基)卟啉(TCPP)交替引入到由两片绝缘衬底组成的狭缝内，在限定的区域内发生配位反应，从而在石英、蓝宝石、硅片等绝缘衬底表面上直接生长出大面积的二维Cu2(TCPP) MOF薄膜。该方法不需要衬底转移，与目前的硅加工工艺相兼容。通过XRD、HRAFM和Cryo-TEM等仪器测试表明，该方法制备的MOF薄膜具有高的晶体质量, 其薄膜电导率为0.007 S cm-1，相比其它羧酸基MOF材料（10–6 S cm–1）提高了3个数量级。同时，该策略也适用于制备Cu3(HHTP)2, Co3(HHTP)2 和 Ni3(HHTP)2 等二维MOF材料，具有普适性。该成果发表在 Advanced Materials期刊上 (Adv. Mater. 2021, 33, 2007741)，并被选为前封面。论文第一作者为博士生刘友星，通讯作者为陈建毅研究员和刘云圻院士。


        文章来源：化学所
        刘云圻研究员，中国科学院院士，第三世界科学院院士。物理化学家，1949年2月生于江苏省靖江市。 1975年毕业于南京大学化学系，1991年在日本东京工业大学获博士学位。长期从事分子材料与器件的研究。总结发展了高性能分子材料的设计思想和提出了性能调控的新方法。证实了扩展π体系是实现高迁移率的重要途径，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念，获得了高质量单晶石墨烯；制备了第一个氮掺杂的石墨烯，实现了对石墨烯电学性能的调控；开拓了在介电层上直接生长石墨烯的新方法。揭示了界面对器件性能的影响规律，开发了新的溶液法加工技术，实现了器件的多功能化。发表SCI论文500余篇(其中130余篇发表在影响因子大于10的期刊上)，他人引用2万余次，h因子大于80，获授权中国发明专利70项，出版专著一部及19章节，在国内外学术会议上做大会/邀请报告100余次。2007，2016年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014, 2015和2016年入选汤森路透全球"高被引科学家"目录。现为科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、中国化学会理事、有机固体专业委员会副主任，和担任Scientific Reports, Nanoscale, Flexible Printed Electronics等6种期刊的编委/顾问委员会成员。
       陈建毅， 1979年3月出生，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。研究方向：石墨烯材料与器件；有机二维原子晶体的设计与合成；有机二维电子学。