Нарушаващ правилата цветен силикон, който може да провежда електричество

Новооткрит вариант на силикон е полупроводник, изследователи от Университета на Мичиган откриха-отхвърляйки предположенията, че този клас материал е изключително изолационен.

„Материалът разкрива възможност за нови типове дисплеи с плосък панел, гъвкави фотоволтаици, носими сензори или дори дрехи, които могат да показват различни шарки или изображения“, каза Ричард Лейн, U-M професор по материалознание и инженерство и макромолекулярна наука и инженерство и съответен автор на изследването, публикувано наскоро в Macromolecular Rapid Communications.

Силиконовите масла и каучуците-полисилоксаните и силсесквиоксаните-са традиционно изолационни материали, което означава, че са устойчиви на потока от електричество или топлина. Водоустойчивите им -качества ги правят полезни в биомедицински устройства, уплътнители, електронни покрития и др.

Междувременно конвенционалните полупроводници обикновено са твърди. Полупроводниковият силикон има потенциала да позволи гъвкавата електроника, описана от Laine, както и силикон, който се предлага в различни цветове.

На молекулярно ниво силиконите са изградени от гръбнак от редуващи се силициеви и кислородни атоми (Si-O-Si) с органични (базирани на въглерод-) групи, прикрепени към силиция. Различни 3D образувания на полимерни вериги възникват, когато се свързват една с друга, известно като кръстосано -свързване, което променя физическите свойства на материала като здравина или разтворимост.

Докато изучаваше различни кръстосано{0}}свързващи структури в силикон, изследователският екип се натъкна на потенциала за електрическа проводимост в съполимер, който е полимерна верига, съдържаща два различни типа повтарящи се единици-клетки-структурирани и след това линейни силикони в този случай.

Възможността за проводимост възниква от начина, по който електроните могат да се движат през Si-O-Si връзки с припокриващи се орбитали. Полупроводниците имат две основни състояния: основно състояние, което не провежда електричество, и проводящо състояние, което го прави. Проводящото състояние, известно също като възбудено състояние, възниква, когато някои електрони скочат до следващата електронна орбитала, която е свързана през материала като метал.

Обикновено свързващите ъгли на Si-O-Si не позволяват тази връзка. При 110 градуса те са далеч от 180 градуса права линия. Но в силиконовия съполимер, открит от екипа, тези връзки започват при 140 градуса в основно състояние-и се разтягат до 150 градуса във възбудено състояние. Това беше достатъчно, за да създаде магистрала за протичане на електрически заряд.

„Това позволява неочаквано взаимодействие между електрони през множество връзки, включително Si-O-Si връзки в тези съполимери“, каза Лейн. „Колкото по-голяма е дължината на веригата, толкова по-лесно е за електроните да пътуват на по-дълги разстояния, намалявайки енергията, необходима за абсорбиране на светлина и след това да я излъчват при по-ниски енергии.“

Полупроводниковите свойства на силиконовите съполимери също позволяват неговия спектър от цветове. Електроните прескачат между основното и възбуденото състояние, като поглъщат и излъчват фотони или частици светлина. Светлинното излъчване зависи от дължината на съполимерната верига, която екипът на Laine може да контролира. По-дългите дължини на веригата означават по-малки скокове и фотони с по-ниска енергия, което придава на силикона червен нюанс. По-късите вериги изискват по-големи скокове от електроните, така че те излъчват светлина с по-висока енергия към синия край на спектъра.

За да демонстрират връзката между дължината на веригата и поглъщането и излъчването на светлина, изследователите разделиха съполимери с различна дължина на веригата и ги подредиха в епруветки от дълги към къси. Осветяването на тръбите с ултравиолетова светлина създава пълна дъга, тъй като всяка поглъща и излъчва светлина с различни енергии.

Цветният набор, базиран на дължината на съполимерната верига, е особено уникален, тъй като до този момент е известно, че силиконите са само прозрачни или бели, тъй като техните изолационни свойства ги правят неспособни да абсорбират много светлина.

„Взимаме материал, който всички смятаха за електрически инертен, и му даваме нов живот-такъв, който може да захранва следващото поколение мека, гъвкава електроника“, каза Zijing (Jackie) Zhang, докторант по материалознание и инженерство в U-M и водещ автор на изследването.