Учёные создали пористые полупроводники из радикальных молекул без допирования
Исследователи из Университета Сантьяго де Компостела разработали новый способ производства пористых органических каркасов с полупроводниковыми свойствами, встроив радикальные молекулы прямо в структуру материала — без добавления химических примесей.
Учёные из Центра исследований биологической химии и молекулярных материалов (CiQUS) Университета Сантьяго де Компостела разработали метод производства ковалентных органических каркасов (COF) с полупроводниковыми свойствами без химического допирования. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition под названием «Semiconducting Covalent Organic Frameworks Based on Spin-Delocalized Trioxotriangulene Neutral Radicals».
Что такое органические каркасы и почему они важны
Ковалентные органические каркасы — это материалы, состоящие из органических молекул, соединённых ковалентными связями и образующих упорядоченные кристаллические структуры с порами нанометрового размера. Такая комбинация свойств делает их привлекательными для применения в электронике, датчиках и системах накопления энергии.
Проблема традиционного подхода
Обычно для достижения эффективной электропроводности в органических каркасах требуется добавление допантов — внешних веществ, которые обеспечивают носители заряда. Однако этот процесс имеет существенный недостаток: он может нарушить структуру материала, снизив его кристалличность, пористость и стабильность.
Новый подход: радикалы вместо допантов
Команда CiQUS предложила альтернативный метод — встроить радикальные молекулы непосредственно в структуру каркаса, чтобы они обеспечивали носители заряда без необходимости в допировании после синтеза. Для этого исследователи использовали нейтральные молекулы триоксотриангулена (TOT) в качестве строительных блоков. Эти молекулы характеризуются высокодеделокализованным спином и исключительной стабильностью.
Достигнутые результаты
Разработанный кристаллический каркас демонстрирует полупроводниковое поведение и электропроводность при комнатной температуре, которая находится среди наивысших значений, когда-либо зарегистрированных для нейтральных, не допированных органических каркасов. При этом материал сохраняет высокую пористость с удельной поверхностью более 1200 м² на грамм.
Как это работает
Ключевая особенность подхода заключается в том, что радикалы TOT не просто добавляются в материал как дополнительный компонент — они становятся частью его молекулярной структуры. Их неспаренные электроны могут генерировать носители заряда без необходимости в противоионах или других внешних химических веществах. Упорядоченное расположение этих единиц внутри каркаса облегчает транспорт заряда через материал.
Перспективы применения
Результаты особенно значимы, поскольку объединяют свойства, которые обычно сложно поддерживать одновременно: электропроводность, кристалличность и пористость. Исследование также показывает, что каркас можно модифицировать, выбирая различные компоненты и связи, что позволяет настраивать электронные свойства материалов. Это может быть полезно для разработки материалов для электроники, спинтроники, датчиков, электрохимических устройств и систем накопления энергии. Способность молекул TOT обратимо принимать электроны указывает на потенциальное применение в качестве активных материалов в батареях, однако эти возможности требуют дальнейших исследований.
В разработке участвовали исследователи из групп Мануэля Соуто, Диего Пеньи и Франсиско Ривадуллы, а также сотрудничество с учёными Института материалов CICECO-Aveiro Университета Авейро (Португалия).
