原子/分子层沉积金属-有机框架材料的表面反应与生长机理的理论研究

Due to accurate control of nanomaterials preparation at the atomic and molecular scales, atomic layer deposition (ALD) and molecular layer deposition (MLD) have been the research hotspots of materials technology. Recently, ALD/MLD technology can be successfully used in the preparation of metal-organic framework (MOF) materials. However, the microscopic mechanism of ALD/MLD growth is still unclear. In this project, we will use a variety of techniques, such as density functional theory calculations, first-principles molecular dynamics and kinetic Monte Carlo simulations, and synthetically consider the active sites of metals on the surface, the size and orientation of ligands, precursor temperature, substrate temperature and growth pressure to investigate surface reactions and growth processes of ALD/MLD of three isoreticular metal-organic framework (IRMOF) materials, including MOF-5, IRMOF-8, and IRMOF-10. According to research results, we will summarize the surface reaction and growth mechanisms of ALD/MLD of IRMOF materials and provide data support and theoretical guidance for the design and preparation of new MOF materials with excellent properties. The implementation of this project will provide new ideas for the development of computational modellings and methods for complicated surface reactions and the understanding of microscopic mechanisms of ALD/MLD growths of MOF and other organic-inorganic hybrid materials.

原子层沉积（ALD）和分子层沉积（MLD）技术因在纳米材料的原子和分子尺度精确控制制备中的应用而成为材料技术的研究热点。目前，ALD/MLD技术已成功应用于金属-有机框架（MOF）材料的制备，但其表面反应和生长机制尚不明确。本项目拟采用密度泛函理论计算、第一性原理分子动力学和动力学蒙特卡洛模拟等技术，综合考虑表面金属活性位点、配体尺寸和空间取向、前驱体温度、基底温度、生长压力等因素，对三种网状金属-有机框架（IRMOF）材料（MOF-5、IRMOF-8、IRMOF-10）ALD/MLD的表面反应和生长过程开展理论研究。根据研究结果，总结IRMOF材料的ALD/MLD表面反应机理及其生长规律，为设计和制备具有优异性能的新MOF材料提供有力的数据支撑和理论指导。本项目的开展将为复杂表面化学反应的计算模型和方法的发展、MOF和其它有机-无机杂化材料的ALD/MLD生长微观机制的理解提供新的思路。

原子层沉积（Atomic Layer Deposition，ALD）作为一种纳米制造技术，用来制备纳米薄膜与纳米结构，已经成功应用于微电子、催化和能源等领域。随后发展的分子层沉积（Molecular Layer Deposition，MLD）将ALD生长材料范围由传统的无机材料扩展到了有机聚合物。交替使用杂化的ALD/MLD技术，就能生长各种功能独特的有机-无机杂化（Organic-Inorganic Hybrid，OIH）材料，包括金属-有机框架（Metal-Organic Framework，MOF）材料。本项目选取MOF、Alucone、Titanicone等有机-无机杂化材料以及Al2S3、Ti3N4、ZrO2等无机材料为研究对象，采用密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算和第一性原理分子动力学（First-Principles Molecular Dynamics，FPMD）模拟等技术，对ALD/MLD生长MOF、Alucone、Titanicone、Al2S3、Ti3N4、ZrO2等材料的表面反应和水固界面开展理论研究。理论计算结果揭示了MOF、Alucone、Titanicone、Al2S3、Ti3N4、ZrO2等材料的ALD和MLD生长机制，为设计和发展新型有机-无机杂化材料和ALD/MLD制备技术提供了有力的数据支持和理论指导。同时，ALD/MLD材料表面反应和生长过程的研究方法，对表面、界面与材料化学研究具有重要参考意义。