Fast Dynamic Synthesis of MIL-68(In) Thin Films in High Optical Quality for Optical Cavity Sensing

材料科学 薄膜 石英晶体微天平 图层(电子) 逐层 纳米技术 光电子学 扫描电子显微镜 纳米压痕 复合材料 有机化学 化学 吸附
作者
Bahram Hosseini Monjezi,Salih Okur,René Limbach,Abhinav Chandresh,Kaushik Sen,Tawheed Hashem,Matthias Schwotzer,Lothar Wondraczek,Christof Wöll,Alexander Knebel
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (6): 6121-6130 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsnano.3c01558
摘要

Fabrication of metal-organic framework (MOF) thin films rigidly anchored on suitable substrates is a crucial prerequisite for the integration of these porous hybrid materials into electronic and optical devices. Thus, far, the structural variety for MOF thin films available through layer-by-layer deposition was limited, as the preparation of those surface-anchored metal-organic frameworks (SURMOFs) has several requirements: mild conditions, low temperatures, day-long reaction times, and nonaggressive solvents. We herein present a fast method for the preparation of the MIL SURMOF on Au-surfaces under rather harsh conditions: Using a dynamic layer-by-layer synthesis for MIL-68(In), thin films of adjustable thickness between 50 and 2000 nm could be deposited within only 60 min. The MIL-68(In) thin film growth was monitored in situ using a quartz crystal microbalance. In-plane X-ray diffraction revealed oriented MIL-68(In) growth with the pore-channels of this interesting MOF aligned parallel to the support. Scanning electron microscopy data demonstrated an extraordinarily low roughness of the MIL-68(In) thin films. Mechanical properties and lateral homogeneity of the layer were probed through nanoindentation. These thin films showed extremely high optical quality. By applying a poly(methyl methacrylate) layer and further depositing an Au-mirror to the top, a MOF optical cavity was fabricated that can be used as a Fabry-Perot interferometer. The MIL-68(In)-based cavity showed a series of sharp resonances in the ultraviolet-visible regime. Changes in the refractive index of MIL-68(In) caused by exposure to volatile compounds led to pronounced position shifts of the resonances. Thus, these cavities are well suited to be used as optical read-out sensors.
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