Dielektrische und ferroelektrische, oberflächengebundene metallorganische Gerüstverbindungen (SURMOFs) als Sensorelemente

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Huth; Dr. Martin Kind; Professor Dr. Rochus Schmid
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 316711251

Die zentralen Eigenschaften metallorganischer Netzwerkverbindungen (sog. MOFs) sind ihre Porosität, konformationelle Flexibilität sowie die Durchstimmbarkeit ihrer Eigenschaften. Ein sich entwickelnder Forschungsbereich ist die Verwendung dieser Materialklasse in hoch-miniaturisierten Sensorstrukturen. Das zentrale Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines neuartigen Sensorkonzeptes bis zum Nachweis der Machbarkeit. Die Adsorption von Analyt-Gastmolekülen in oberflächenfixierten MOFs (SURMOFs) führt zu Änderungen in deren dielektrischen Eigenschaften, welche durch die damit einhergehende Modulation der Leitfähigkeit in der Sensorschicht aus nanogranularen Metallen (NGM) detektiert werden. Die Sensorschicht ist Teil einer SURMOF/NGM-Heterostruktur. NGMs sind künstliche Materialien, die aus metallischen Nanopartikeln bestehen, die in eine nichtleitende Matrix eingebettet sind. Ihr Leitungsmechanismus basiert auf thermisch assistiertem Tunneln und hängt empfindlich von den dielektrischen Eigenschaften der Umgebung ab. Pfeilerbasierte SURMOF-Systeme mit rotierbaren, dipolaren Verbindermolekülen werden auf die NGMs aufgewachsen, wobei durch eine definierte kristallografische Aufwachsrichtung die Ausbildung einer ferroelektrischen Ordnung begünstigt werden soll. In einem anderen Ansatz werden die SURMOFs selbst als nichtleitende Matrix für zweidimensional geordnete metallische Nanopunkte genutzt. Diese Anordnung begünstigt das Auftreten signifikanter Änderungen in der frequenzabhängigen Permittivität der SURMOFs bei einer Wechselwirkung mit polaren (und nicht-polaren) Gastmolekülen. Um diese anspruchsvollen Ziele zu erreichen, werden die Kompetenzen dreier Gruppen in der Synthese und Charakterisierung von SURMOFs, der Herstellung und elektrischen Charakterisierung von NGMs und der theoretischen atomistischen Simulation von MOFs im Projekt gebündelt.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1928: Koordinationsnetzwerke als Bausteine für Funktionssysteme
• Internationaler Bezug: Belgien, USA
• Kooperationspartner: Professor Dr. Igor Beloborodov; Toon Verstraelen