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In the last twenty years, metal-organic frameworks (MOFs) have become a coveted material system. So far, these highly porous substances, up to 90 percent of which are composed of empty space, have largely been used to store gases, for catalysis or to slowly release drugs in the human body. “The metal-organic framework compound developed at TU Dresden comprises an organic material integrated with iron ions,” explains Dr. Artur Erbe, head of the "Transport in Nanostructures" group at HZDR’s Institute of Ion Beam Physics and Materials Research. “The special thing about it is that the framework forms superimposed layers with semiconducting properties, which makes it potentially interesting for optoelectronic applications.”

The group had the idea of using the new semiconducting two-dimensional MOF as a photodetector. In order to pursue it further, Himani Arora investigated the semiconductor’s electronic properties. She explored, among others, to what extent the light sensitivity was dependent on temperature and wavelength – and came to a promising conclusion: From 400 to 1575 nanometers, the semiconductor could detect a broad range of light wavelengths. The spectrum of radiation thus goes from ultraviolet to near infrared. “This is the first time we have proved such a broadband photodetection for a photodetector completely based on MOF layers,” the doctoral candidate notes. “These are ideal properties for using the material as an active element in optoelectronic components.”

Small bandgap makes for efficiency

The spectrum of wavelengths a semiconducting material can cover and transform into electrical signals essentially depends on the so-called bandgap. Experts use this term to describe the energetic distance between the valence band and the conduction band of a solid state material. In typical semiconductors, the valence band is completely full, so the electrons cannot move around. The conduction band, on the other hand, is largely empty, so the electrons can move around freely and influence the current flow. While the bandgap in insulators is so big that the electrons cannot jump from the valance band to the conduction band, metal conductors have no such gaps. A semiconductor’s bandgap is just big enough to raise the electrons to the higher energy level of the conduction band by using the light waves. The smaller the bandgap, the lesser the energy required to excite an electron. “As the bandgap in the material we explored is very small, only very little light energy is required to induce the electricity,” Himani Arora explains. “This is the reason for the large range of the detectable spectrum.”

By cooling the detector down to lower temperatures, the performance can be improved yet further because the thermal excitation of the electrons is suppressed. Other improvements include optimizing the component configuration, producing more reliable contacts and developing the material further. The results suggest that the MOF-based photodetectors will have a bright future. Thanks to their electronic properties and inexpensive manufacturing, MOF layers are promising candidates for a raft of optoelectronic applications.

“The next step is to scale the layer thickness,” says Artur Erbe, looking forward. “In the study, 1.7 micrometer MOF films were used to build the photodetector. To integrate them into components, they need to be significantly thinner.” If possible, the aim is to reduce the superimposed layers to 70 nanometers, that is, 25 times smaller than their size. Down to this layer thickness the material should exhibit comparable properties. If the group can prove that the functionality remains the same in these significantly thinner layers, they can then embark on developing it to the production stage.

Publication:

H. Arora, R. Dong, T. Venanzi, J. Zscharschuch, H. Schneider, M. Helm, X. Feng, E. Cánovas, A. Erbe: Demonstration of a broadband photodetector based on a two‐dimensional metal-organic framework, in Advanced Materials, 2020 (DOI: 10.1002/adma.201907063)

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Additional information:

PD Dr. Artur Erbe | Himani Arora
Institute of Ion Beam Physics and Materials Research at HZDR
Phone: +49 351 260-2366
Email: a.erbe@hzdr.de | h.arora@hzdr.de

Media contact:
Simon Schmitt | Science Editor
Phone: +49 351 260-3400 | Email: s.schmitt@hzdr.de

[Deutsche Version | Pressemitteilung des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) zu einer Kooperation mit dem cfaed-Lehrstuhl für Molekulare Funktionsmaterialien (Prof. Xinliang Feng) an der TU Dresden]

Pressemitteilung vom 9. April 2020

Breites Spektrum

Neuartiges Hybridmaterial erweist sich als effizienter Fotodetektor

Digitalkameras, aber auch viele andere elektronische Anwendungen benötigen lichtempfindliche Sensoren. Um den steigenden Bedarf an solchen optoelektronischen Bauteilen zu decken, sucht die Industrie nach neuen Halbleitermaterialien. Diese sollten nicht nur einen möglichst breiten Wellenlängenbereich erfassen, sondern auch preisgünstig sein. Ein in Dresden entwickeltes Hybridmaterial erfüllt beide Anforderungen. Himani Arora, Physik-Doktorandin am Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), wies nach, dass sich eine metallorganische Verbindung als Breitband-Fotodetektor verwenden lässt. Da es keine teuren Rohstoffe enthält, kann es in großen Mengen preisgünstig produziert werden.

Metallorganische Gerüste (Metal-Organic Frameworks, MOFs) haben sich in den vergangenen zwanzig Jahren zu einem gefragten Materialsystem entwickelt. Die hochporösen Stoffe, die bis zu 90 Prozent aus leerem Raum bestehen, werden bisher vor allem zur Speicherung von Gasen, zur Katalyse oder zur langsamen Freisetzung von Arzneimitteln im menschlichen Körper verwendet. „Die an der TU Dresden entwickelte metallorganische Gerüstverbindung besteht aus einem organischen Material mit eingebauten Eisenionen“, erklärt Dr. Artur Erbe, Leiter der Arbeitsgruppe „Transport in Nanostrukturen“ am HZDR-Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung. „Besonders daran ist, dass das Gerüst übereinanderliegende Schichten mit halbleitenden Eigenschaften bildet, was es für potentielle Anwendungen in der Optoelektronik interessant macht.“

In der Arbeitsgruppe entstand die Idee, das neue halbleitende zweidimensionale MOF als Fotodetektor zu nutzen. Um diese Möglichkeit zu erforschen, nahm Himani Arora die elektronischen Eigenschaften des Halbleiters unter die Lupe. Sie untersuchte unter anderem, inwieweit die Lichtempfindlichkeit von Temperatur und Wellenlänge abhängig ist und kam zu einem vielversprechenden Ergebnis: Mit 400 bis 1575 Nanometer kann der Halbleiter einen breiten Wellenlängenbereich des Lichts erfassen. Das Spektrum reicht somit von der Ultraviolettstrahlung bis ins nahe Infrarot. „Wir haben hier zum ersten Mal eine solche breitbandige Fotoreaktion für einen vollständig auf MOF-Schichten basierenden Fotodetektor nachgewiesen“, stellt die Doktorandin fest. „Das sind ideale Eigenschaften, um das Material als aktives Element in optoelektronischen Bauelementen zu nutzen.“

Effizient durch kleine Bandlücke

Welches Spektrum an Wellenlängen ein Halbleitermaterial erfassen und in elektrische Signale umwandeln kann, hängt im Wesentlichen von der sogenannten Bandlücke ab. Mit diesem Begriff bezeichnen Experten den energetischen Abstand zwischen Valenzband und Leitungsband eines Festkörpers. Das Valenzband ist bei typischen Halbleitern ganz gefüllt, sodass die Elektronen sich nicht bewegen können. Das Leitungsband dagegen ist weitgehend leer, die Elektronen können sich darin frei bewegen und zum Stromfluss beitragen. Während bei Nichtleitern die Bandlücke zu groß ist, als dass Elektronen vom Valenzband ins Leitungsband überwechseln können, weisen Metalle als Leiter gar keine Lücke auf. Die Bandlücke der Halbleiter ist gerade so groß, dass durch Lichtwellen Elektronen auf das höhere Energieniveau des Leitungsbandes gehoben werden. Je kleiner die Bandlücke, desto weniger Energie ist nötig, um ein Elektron anzuregen. „Weil bei dem von uns untersuchten Material die Bandlücke sehr klein ist, reicht schon eine geringe Lichtenergie zur Strominduktion aus“, erläutert Arora Himani. „Das erklärt den großen nutzbaren Spektralbereich.“

Durch Abkühlung des Detektors auf niedrigere Temperaturen lässt sich die Leistung noch verbessern, weil damit die thermische Anregung von Elektronen unterdrückt wird. Weitere Verbesserungen sind durch Optimierung der Bauteilkonfiguration, Herstellung zuverlässiger Kontakte und Weiterentwicklung des Materials möglich. Die Ergebnisse deuten auf eine vielversprechende Zukunft für die MOF-basierte Fotodetektion hin. Aufgrund ihrer elektronischen Eigenschaften und der kostengünstigen Herstellung sind MOF-Schichten aussichtsreiche Kandidaten für eine Vielzahl von optoelektronischen Anwendungen.

„Nächster Schritt ist die Skalierung der Schichtdicke“, gibt Artur Erbe einen Ausblick. „In der Studie wurden 1,7 Mikrometer dicke MOF-Filme beim Aufbau des Fotodetektors verwendet. Für die Integration in Bauteile müssen diese wesentlich dünner sein.“ Ziel ist es, die übereinandergeschichteten Lagen möglichst auf 70 Nanometer, also auf ein 25stel zu reduzieren. Bis zu dieser Schichtdicke sollte das Material noch vergleichbare Eigenschaften besitzen. Gelingt der Nachweis, dass die Funktionalität in einer deutlich dünneren Schicht erhalten bleibt, kann die Weiterentwicklung bis hin zur Fertigungsreife beginnen.

Publikation:

H. Arora, R. Dong, T. Venanzi, J. Zscharschuch, H. Schneider, M. Helm, X. Feng, E. Cánovas, A. Erbe: Demonstration of a broadband photodetector based on a two‐dimensional metal-organic framework, in Advanced Materials, 2020 (DOI: 10.1002/adma.201907063)

Download Pressebild (Author: Juniks / HZDR)

Bildunterschrift: Physiker des HZDR und der TU Dresden haben einen Fotodetektor entwickelt, der vollständig aus Schichten metallorganischer Gerüste aufgebaut ist. Da die Verbindung einen breiten Wellenlängenbereich des Lichts erfassen und in elektrische Signale umwandeln kann, könnte sie sich als neuartiges Detekormaterial erweisen.

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PD Dr. Artur Erbe | Himani Arora
Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung am HZDR
Tel.: +49 351 260-2366
E-Mail: a.erbe@hzdr.de | h.arora@hzdr.de

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