Room-Temperature Negative Differential Resistance in Surface-Supported Metal-Organic Framework Vertical Heterojunctions

Autor(es)

Albano, Luiz G. S. ^[1] ; de Camargo, Davi H. S. ^{[1, 2]} ; Schleder, Gabriel R. ^{[3, 1]} ; Deeke, Samantha G. ^{[1, 2]} ; Vello, Tatiana P. ^{[1, 4]} ; Palermo, Leirson D. ^[1] ; Correa, Catia C. ^[1] ; Fazzio, Adalberto ^{[3, 1]} ; Woell, Christof ^[5] ; Bufon, Carlos C. B. ^{[1, 2, 4]}

Afiliação do(s) autor(es)

^[1] Brazilian Ctr Res Energy & Mat CNPEM, Brazilian Nanotechnol Natl Lab LNNano, BR-13083970 Campinas, SP - Brazil

^[2] Sao Paulo State Univ ESP, Postgrad Program Mat Sci & Technol POSMAT, BR-17033360 Bauru, SP - Brazil

^[3] Fed Univ ABC UFABC, BR-09210580 Santo Andre, SP - Brazil

^[4] Univ Campinas UNICAMP, Inst Chem IQ, Dept Phys Chem, BR-13084862 Campinas, SP - Brazil

^[5] Karlsruhe Inst Technol KIT, Inst Funct Interfaces IFG, D-76344 Eggenstein Leopoldshafen - Germany

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: SMALL; v. 17, n. 35 JUL 2021.
• Citações Web of Science: 0

Resumo

The advances of surface-supported metal-organic framework (SURMOF) thin-film synthesis have provided a novel strategy for effectively integrating metal-organic framework (MOF) structures into electronic devices. The considerable potential of SURMOFs for electronics results from their low cost, high versatility, and good mechanical flexibility. Here, the first observation of room-temperature negative differential resistance (NDR) in SURMOF vertical heterojunctions is reported. By employing the rolled-up nanomembrane approach, highly porous sub-15 nm thick HKUST-1 films are integrated into a functional device. The NDR is tailored by precisely controlling the relative humidity (RH) around the device and the applied electric field. The peak-to-valley current ratio (PVCR) of about two is obtained for low voltages (<2 V). A transition from a metastable state to a field emission-like tunneling is responsible for the NDR effect. The results are interpreted through band diagram analysis, density functional theory (DFT) calculations, and ab initio molecular dynamics simulations for quasisaturated water conditions. Furthermore, a low-voltage ternary inverter as a multivalued logic (MVL) application is demonstrated. These findings point out new advances in employing unprecedented physical effects in SURMOF heterojunctions, projecting these hybrid structures toward the future generation of scalable functional devices. (AU)

• Processo FAPESP: 17/18139-6 - Machine learning e Ciência de Materiais: descoberta e design de materiais 2D
• Beneficiário: Gabriel Ravanhani Schleder
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 14/25979-2 - Fabricação e caracterização de dispositivos e sistemas baseados em nanomembranas híbridas
• Beneficiário: Carlos César Bof Bufon
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Jovens Pesquisadores
• Processo FAPESP: 16/25346-5 - Dispositivos capacitivos para caracterização de nanoestruturas híbridas: estudo das propriedades elétricas de estruturas metal-orgânicas de superfície -SURMOFs- e ftalocianinas metálicas
• Beneficiário: Tatiana Parra Vello
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado
• Processo FAPESP: 14/50906-9 - INCT 2014: em Materiais Complexos Funcionais (INOMAT)
• Beneficiário: Fernando Galembeck
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 19/01561-2 - Estudos de mecanismos de crescimentos de estruturas metal-orgânicas montadas em superfície para aplicação em dispositivos elétricos
• Beneficiário: Tatiana Parra Vello
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Doutorado
• Processo FAPESP: 17/02317-2 - Interfaces em materiais: propriedades eletrônicas, magnéticas, estruturais e de transporte
• Beneficiário: Adalberto Fazzio
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Processo FAPESP: 17/25553-3 - Fabricação e caracterização de nanomembranas de estruturas metal-orgânicas de superfície (SURMOFs) auto-enroladas para aplicações em dispositivos eletrônicos ultracompactos
• Beneficiário: Luíz Gustavo Simão Albano
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado