天津大学：二维导电MOFs材料在有机电子学自旋电子学的应用进展
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(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， DOI: 10.1007/s11426-020-9791-2.
来源：中国科学化学
论文链接
https://doi.org/10.1007/s11426-020-9791-2
MOFs和有机金属配合物在OLED中的应用潜力
金属有机骨架(MOFs)是一类由金属离子或金属簇与有机配体配位形成一维、二维或三维结构的材料。在MOFs中加入各种金属离子可以显著影响其电子、光学和结构性能，使其适用于有机发光二极管(OLED)等应用。
增强电子传输: MOFs可以作为OLED中的电子传输材料，促进电子在器件内的运动。通过改善电子传递，Mofs可以提高OLED的效率，从而产生更亮、更节能的显示器或照明面板。
提高稳定性: 具有坚固结构的MOFs有助于提高OLED器件的稳定性。它们可以作为保护层或屏障，保护OLED的有机层免受潮湿和氧气等环境因素的影响，这些环境因素会随着时间的推移降低设备的性能。这可以延长OLED产品的使用寿命，降低维护成本。
可调谐特性: Mofs的可调谐特性允许自定义其特性以适应特定的OLED应用。研究人员可以设计具有定制电子、光学和结构特性的MOFs，以优化其在OLED器件中的性能，这种灵活性可以对OLED特性进行微调，例如颜色纯度、效率和使用寿命。
与溶液加工的兼容性: 许多Mofs可以使用基于溶液的方法合成，使它们与OLED制造中常用的溶液加工技术兼容。这种兼容性简化了Mofs与OLED制造工艺的集成，有可能降低生产成本并实现OLED器件的大规模生产。
器件结构的通用性: Mofs可以集成到OLED器件结构的各个层中，包括发射层、电子传输层或封装材料。这种多功能性允许优化OLED性能的不同方面，例如电荷注入，重组效率和光脱耦，从而导致整体设备的改进。
新特性的潜力: 一些Mofs具有独特的特性，如发光或光电导电性，可以用来创建具有增强功能的新型OLED架构。例如，发光Mofs可以用作oled中的发射器或宿主，为新器件设计和应用提供了机会。
多功能的潜力: Mofs可以定制为具有光发射以外的附加功能，如电荷传输特性，气体吸附能力或催化活性。多功能为将各种功能集成到oled中提供了机会，使传统显示和照明之外的创新应用成为可能。
有机金属配合物在有机发光二极管中的增值作用
1、提高效率: 与传统的有机发光体相比，有机金属配合物在OLED中提供了更高的量子效率和亮度的潜力。研究人员继续探索新的分子结构和设计策略，以最大限度地提高这些复合物的效率。
2、扩大颜色范围: 有机金属配合物可以设计成在广泛的光谱范围内发射光，从而创建具有鲜艳和准确颜色的OLED显示器。分子设计的进步允许对发射波长进行精确控制，促进了具有扩展色域的显示器的发展。
3、增强稳定性: 稳定性是OLED技术商业可行性的关键因素。人们正在开发具有更好的热稳定性和化学稳定性的有机金属配合物，以解决可能限制OLED器件寿命的降解机制。这包括减轻由于氧气和水分暴露以及光降解而导致的降解的策略。
4、柔性和可穿戴应用：有机金属配合物OLED由于其薄、轻、可弯曲的特性，非常适合柔性和可穿戴应用。这些材料能够在柔性基板上制造OLED，允许创建弯曲或可卷曲的显示器，以及可穿戴设备的保形照明面板。
5、节能照明解决方案：随着对节能照明的需求不断增长，有机金属配合物的OLED提供了一个有前途的解决方案。这些材料可以达到很高的光效和色彩质量，使其适用于各种照明应用，包括建筑照明、汽车照明和便携式照明设备。
6、制造技术的进步：制造工艺和沉积技术的进步使得有机金属配合物更容易集成到OLED设备中。基于解决方案的加工方法，如喷墨打印和有机气相沉积，允许具有复杂架构的可扩展和经济高效的OLED生产。
7、更长的寿命：与荧光材料相比，合成的磷光复合物往往具有更长的激发态寿命。这种特性可以实现更有效的能量传递过程，同时也减少了非辐射衰减的范围，从而提高了OLED器件的稳定性和使用寿命。
除了传统的显示和照明应用之外，有机金属配合物的有机发光二极管正被用于光电传感、光伏和生物医学等新兴领域。这些材料具有独特的光学和电子特性，可以在各种应用中实现创新功能。
综上所述，将这些金属离子结合到MOFs中为设计具有可调谐性能的OLED材料提供了一个多功能平台。金属离子的选择可以显著影响MOF的电子导电性、发光性和结构稳定性，从而优化OLED的性能。
MOFs具有许多优点，并表现出独特的性能，使其非常适合OLED:
a)载流子注入和输运： MOFs由于其固有的电子性质和明确的结构，具有促进电荷注入和输运的能力。因此，它们可以用作宿主材料或作为OLED发射层中的组件。
b)发射材料: 最重要的是，MOFs可以用不同的发光分子功能化，作为OLED中的发射材料。这些发光MOFs (LMOFs)可以根据金属离子和有机连接剂的选择，依次表现出可调谐的发射特性，包括颜色和强度。
c)增强光提取: MOFs的多孔特性可以通过在器件结构内捕获和散射光来促进oled中的光提取。
d)稳定性和封装性: MOFs可以作为OLED器件的保护层或封装剂，提供更好的抗湿度和氧气等环境因素的稳定性。用MOFs薄膜涂覆OLED后，器件的寿命和可靠性得到提高，从而使其适用于显示和照明等各种应用。
e)混合结构: MOFs可以与聚合物或量子点等其他功能材料结合，创造出新颖的OLED结构。这些混合系统可以将MOFs的独特性能与其他材料的独特性能协同结合，从而增强设备的性能和功能。
f)多用途化学： 广泛的金属离子和有机配体可用于合成MOFs，从而在定制电子和光学性质方面提供灵活性。这些材料可以进一步修饰，具有理想的发光特性，如颜色可调性和高光致发光量子产率。
g)可调整的结构和孔径： 具有可调节结构孔径的mof的多功能性使其成为OLED应用的合适材料，因为它们可以有效地控制载流子的传输并优化发光性能。
h)高表面积： MOFs具有高表面积，从而增强了OLED器件内发射材料与载流子之间的相互作用。这改善了电荷注入、输运和重组，最终提高了器件的效率和性能。
i)气体吸附能力 ： MOFs吸附和解吸小分子，有助于缓解因暴露于环境污染物而导致发光物质猝灭或OLED材料降解等问题。
j)混合系统的潜力： 通过将MOFs集成到有机半导体或量子点等混合结构中，可以创建多功能OLED器件，这些结构具有协同效应，从而提高器件的性能和功能。
k)环境可持续性： 大多数MOFs由丰富的环境友好元素组成，这使它们成为可持续光电应用的理想候选者。MOFs的可调谐特性使设计更节能的OLED器件成为可能，从而实现环境的可持续性。
当前OLED技术面临的挑战和不足:
与其他一些显示技术相比，寿命有限，尤其是蓝色OLED；由于复杂的生产过程和材料费用，制造成本可能很高；易受水和氧降解，需要封装技术来提高耐久性。在高亮度水平下，效率下降，其中OLED的效率随着电流密度的增加而降低。易受图像老化的影响，尤其是长时间显示的静态图像；大型显示器的均匀性和色彩一致性问题。
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