Thin MOF films with photoswitchable electronic properties and On-Off conductance

具有光控电子特性和开关电导的 MOF 薄膜

基本信息

项目摘要

Thin films of surface-mounted metal-organic frameworks (SURMOFs) with photoswitchable electronic properties and conductance values that can be reversibly changed over several orders of magnitude are the target of this project. Based on our previous proof-of-principle publication with spiropyran embedded in MOFs, showing for the first time the remote switching of the electric conduction of a MOF material, we will prepare photoswitchable MOF thin films with spiropyran photoswitches incorporated at controlled positions with defined intermolecular distances and orientations. There, as shown by ab initio calculations of the charge transfer, the on-off ratio will be more than three orders of magnitude higher, and the conduction as well as the conduction switching will be highly anisotropic, with oriented conduction highways. Moreover, by organic functionalization of the photoswitches in the MOF, the HOMO and LUMO levels will be tuned with the aim to switch between electron (n) and hole (p) conduction in a highly controllable fashion. To demonstrate the potential device implementation, two-layer films will be prepared where the top-down current through a functional, light-detecting SURMOF (top-layer) is switched on or off by switching the spiropyran-SURMOF-layer with switchable conductance (bottom layer). Furthermore, the application in adaptive and configurable electronics will be explored, where “conducting wires” in the large-area SURMOF are reversibly written by focused light irradiation, with the long-term goal to realize photoprogrammable devices for optical computing, memories and displays.In this project, we cover the entire research chain from the synthesis of custom-made light-responsive organic molecules over the preparation and investigation of the photoswitchable MOF films up to the demonstration of the system integration, combined with quantum-mechanical calculations and multiscale modelling of the switching and charge transfer processes in order to achieve a detailed understanding and guide the design of devices.
该项目的目标是表面贴装金属有机框架(SURMOFs)薄膜,其具有可在几个数量级上可逆改变的光开关电子特性和电导值。基于我们之前的原理证明出版物,其中螺吡喃嵌入在MOF中,首次显示了MOF材料的电传导的远程切换,我们将制备具有螺吡喃光电开关的光可切换的MOF薄膜,其中螺吡喃光电开关结合在具有定义的分子间距离和取向的受控位置。在那里,如电荷转移的从头计算所示,开关比将高出三个数量级以上,并且传导以及传导切换将是高度各向异性的,具有定向传导高速公路。此外,通过对MOF中的光开关进行有机功能化,HOMO和LUMO能级将被调谐,目的是以高度可控的方式在电子(n)和空穴(p)导电之间切换。为了证明潜在的器件实现,将制备两层膜,其中通过功能性的光检测SURMOF(顶层)的自上而下电流通过切换具有可切换电导的螺吡喃-SURMOF层(底层)而被打开或关闭。此外,将探索自适应和可配置电子学中的应用,其中大面积SURMOF中的“导线”通过聚焦光照射可逆地写入,长期目标是实现用于光学计算、存储器和显示器的光可编程器件。我们涵盖了整个研究链,从定制光的合成,响应性有机分子在光可切换的MOF膜的制备和研究中直至系统集成的演示,结合量子-机械计算和开关和电荷转移过程的多尺度建模,以实现详细的理解和指导设备的设计。

项目成果

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