复旦武汉AdvSci金属有机框架助力透明电子监测器

复旦/武汉Adv. Sci.: 金属有机框架助力透明电子监测器

可透过可见光的导电材料在光电材料中具有较高的利用价值,这种材料需要克服的重要挑战来自于将各种功能组分单元都实现对光高透过。常见的透光材料包括玻璃,塑料,晶体等。由于人们对于智能产品的需求,目前对于透明材料(比如显示面板,落地窗,汽车挡风玻璃)的开发得到了越来越多的关注。此外,对于开发能够实时监测人体各种生物信号(包括脉搏,血压,呼吸)和环境变化(空气湿度,环境温度,大气污染物)也非常重要。开发透光电子材料需要至少两种组成结构:导电基底或电极,功能材料单元(对外界变化和外界刺激实现响应)。大量的材料能够实现非常高的透光性(90 %)和非常低的电阻(100 Ω/sq),但是功能材料组分的开发具有高难度,这是因为能够同时实现高导电性、高响应能力、室温工作的材料不是很多。MOF材料作为一种多孔功能材料,其中多种结构和组成的MOF具有很高的可见光透光性,同时其与气体分子有强相互作用,能实现气体监测功能。成果简介:有鉴于此,复旦大学孙正宗和武汉大学邓鹤翔合作报道了通过外延生长法在单层石墨烯(single-layer graphene)材料表面上生长MOF材料,并测试了这种材料在监测NH3中的应用。
本文要点:要点1:合成了Ni-CAT型MOF材料,其由苯并菲单元和Ni离子组成。这种材料和石墨烯的晶格不匹配(mismatch)程度非常低(1.08 %)。这种复合材料展现了比较好的透光性,在Ni-CAT的厚度为10 nm时,对550 nm的可见光实现了95.7 %的透光性,同时这种材料的导电性达到4.0 × 104S/m(这个数值为本征Ni-CAT的7倍,为随机取向Ni-CAT的6倍)。由于晶格和对称性的匹配作用,MOF能够在石墨烯界面上高堆叠的竖直生长,通过电子显微镜表征验证了界面上材料的优良生长。该生长过程通过将醋酸镍和苯并菲溶解在去离子水中,通过85 oC加热12 h生长在基底上。
要点2:这种界面复合材料在室温条件对ppb(十亿分比浓度,part per billion)的气体分子有反应能力,能够实时监测特定气体分子浓度变化情况。基于这种透明材料的器件能够制作成3 × 5 cm大小,在200次的弯折后,器件能够保持导电性和透光性。此外,在聚对苯二甲酸(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)基底上同样实现了非常高的适配性。对复合材料界面电荷传递作用机理进行了研究,分别在弯折和平整条件中测试了对NH3的监测性能。参考文献Jie Wu, et al.,Metal–Organic Framework for Transparent Electronics,Adv. Sci. 2020, 1903003,DOI: 10.1002/advs.201903003https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201903003推荐阅读

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