天津大学陈龙课题组：二维导电金属有机框架材料在有机电子学/自旋电子学领域的应用进展

二维导电金属有机框架（2D c-MOFs）材料是一类新兴的晶态多孔材料，在电化学传感、电催化、储能等领域展现出广泛的应用前景。天津大学陈龙教授课题组系统地介绍了2D c-MOFs材料在有机电子学及自旋电子学领域的最新研究进展，并指出了该研究方向目前所面临的主要挑战和未来发展前景。

 近年来，越来越多的多功能电子器件（如晶体管、二极管、传感器等）走进了我们的日常，使我们的工作与生活更加便利、高效。科学家们将各种活性材料（如碳材料、无机二维材料、有机半导体材料等）集成到电子器件中，以获得优异的器件性能。金属有机框架（MOFs）材料一般由有机配体和金属节点按拓扑学规律连接而成，可应用于气体存储与分离、传感、催化等领域。然而，已知的大部分传统MOFs材料电导率低，甚至为绝缘体。2012年，Yaghi团队报道了首例2D c-MOFs（M₃HHTP₂, M = Co, Ni, Cu），突破了传统MOFs材料电导率低的瓶颈。自此，2D c-MOFs成为了一个新的研究方向。2D c-MOFs材料具有结构可设计、易调控的优点，同时兼具高结晶度、多孔性和良好的导电性。由于这些特性，2D c-MOFs材料在能源存储、光/电催化、电化学传感、磁性材料、超导等领域均展现出巨大的应用潜力(见下图)。

天津大学陈龙教授课题组对二维导电金属有机框架材料在有机电子学/自旋电子学领域的应用进展进行了综述。电荷和自旋是电子同时具有的两个内禀属性。该综述重点讨论了2D c-MOFs的电学性质、磁性、量子特性，小结了其在半导体、超导体、拓扑绝缘体、分子磁体等新兴电子学和自旋电子学领域的潜在应用。2D c-MOFs的发展将为凝聚态物理、材料科学、纳米科技等领域增添新的活力。

虽然2D c-MOFs材料在有机电子学和自旋电子学领域取得了一些有趣的进展，但仍面临诸多挑战亟待解决：（1）对2D c-MOFs框架结构的有序程度和堆积层数的精确控制仍是目前所面临的最大挑战之一；（2）虽然2D c-MOFs基本克服了传统MOFs材料导电性差的不足，但其电荷/自旋输运的机制尚不清楚；（3）此外，2D c-MOFs材料在苛刻条件下（如强酸、强碱、高温环境等）的稳定性和其高质量薄膜的制备工艺仍需进一步提升。

未来工作中，在以下几个方面的努力将进一步推动2D c-MOFs材料的发展：（1）设计合成新颖的功能化共轭有机配体以及选取与之匹配的金属离子，构建具有新型拓扑结构的框架，以期展现出更多新颖、丰富的性质；（2）优化合成方法，制备高结晶性的2D c-MOFs单晶或薄膜，进一步提高材料稳定性并改善电荷/自旋输运性能。通过掺杂或后修饰合成的策略来实现电子结构的有效调控；（3）结合界面聚合、电化学沉积、溶剂热等手段优化制备高质量2D c-MOFs薄膜的方法，改善器件构筑工艺；（4）与性能优异的其它二维材料制备具有异质结构的2D c-MOFs复合材料也将为多功能电子器件领域的发展带来新契机。

该综述近日在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。详见:Xiaoyu Song, Jingjuan Liu, Ting Zhang, Long Chen. 2D conductive metal-organic frameworks for electronics and spintronics. Sci. China Chem., 2020, DOI: 10.1007/s11426-020-9791-2.

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作者简介

陈龙，天津大学教授/博导，主要从事二维共轭高分子功能材料的设计、合成与性能研究。在高效构筑二维高分子的新策略及发展稳定晶态二维高分子的新方法、可控制备高质量二维高分子薄膜及其器件化应用等方面取得了一些进展；近年来以第一/通讯作者在Chem. Soc. Rev.、CCS Chem、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表论文60余篇，SCI他引5000余次；曾获德国洪堡基金学者、基金委优秀青年科学基金、科技部重点研发计划青年项目的资助。