Барвистий силікон-, який порушує правила, проводить електрику

Нещодавно виявлений варіант силікону є напівпровідником, дослідники з Мічиганського університету виявили-, незважаючи на припущення, що цей клас матеріалів є виключно ізоляційним.

«Цей матеріал відкриває можливості для нових типів дисплеїв із плоскими панелями, гнучких фотоелектричних пристроїв, датчиків, які можна носити, або навіть одягу, який може відображати різні візерунки чи зображення», — сказав Річард Лейн, професор матеріалознавства та інженерії США та макромолекулярної науки та інженерії та автор дослідження, нещодавно опублікованого в Macromolecular Rapid Communications.

Силіконові масла та каучуки-полісилоксани та силсесквіоксани-традиційно є ізоляційними матеріалами, тобто вони протистоять потоку електрики чи тепла. Їх водостійкі-властивості роблять їх корисними в біомедичних пристроях, герметиках, електронних покриттях тощо.

Тим часом звичайні напівпровідники, як правило, жорсткі. Напівпровідниковий силікон має потенціал для створення гнучкої електроніки, описаної Лайном, а також силікону, який доступний у різноманітних кольорах.

На молекулярному рівні силікони складаються з атомів кремнію та кисню (Si-O-Si), що чергуються, з органічними групами (на основі вуглецю-), приєднаними до кремнію. Різноманітні тривимірні утворення полімерних ланцюгів виникають, коли вони з’єднуються один з одним, відомі як перехресні-зв’язки, які змінюють фізичні властивості матеріалу, як-от міцність або розчинність.

Вивчаючи різні перехресні{0}}структури зв’язування в силікону, дослідницька група натрапила на потенціал електропровідності в сополімері, який є полімерним ланцюгом, що містить два різні типи повторюваних одиниць-клітки-структурованих і потім лінійних силіконів.

Можливість провідності виникає через те, як електрони можуть рухатися через зв’язки Si-O-Si із перекриттям орбіталей. Напівпровідники мають два основні стани: основний стан, який не проводить електрику, і провідний стан, який проводить. Стан провідності, також відомий як збуджений стан, виникає, коли деякі електрони стрибають на наступну електронну орбіталь, яка з’єднана через матеріал, як метал.

Як правило, зв’язувальні кути Si-O-Si не дозволяють з’єднати це з’єднання. Під кутом 110 градусів вони далеко від прямої лінії під кутом 180 градусів. Але в силіконовому співполімері, який виявила команда, ці зв’язки починаються під кутом 140 градусів в основному стані-і розтягуються до 150 градусів у збудженому стані. Цього було достатньо, щоб створити магістраль для проходження електричного заряду.

«Це дозволяє неочікувану взаємодію між електронами через множинні зв’язки, включаючи зв’язки Si-O-Si у цих співполімерах», — сказав Лайне. «Чим більше довжина ланцюга, тим легше електронам подорожувати на більші відстані, зменшуючи енергію, необхідну для поглинання світла, а потім його випромінювання з меншою енергією».

Напівпровідникові властивості силіконових кополімерів також забезпечують спектр кольорів. Електрони переходять між основним і збудженим станами, поглинаючи та випускаючи фотони або частинки світла. Випромінювання світла залежить від довжини сополімерного ланцюга, яку команда Лейна може контролювати. Більша довжина ланцюжка означає менші стрибки та меншу енергію фотонів, що надає силікону червоного відтінку. Коротші ланцюги вимагають більших стрибків від електронів, тому вони випромінюють світло з більшою енергією до синього кінця спектра.

Щоб продемонструвати зв’язок між довжиною ланцюга та поглинанням і випромінюванням світла, дослідники розділили сополімери з різною довжиною ланцюга та розмістили їх у пробірках від довгих до коротких. Ультрафіолетове світло на трубках створює повну веселку, оскільки кожна з них поглинає та випромінює світло різної енергії.

Різнобарвний масив, заснований на довжині ланцюга сополімеру, є особливо унікальним, тому що до цього моменту силікони були відомі лише як прозорі або білі, оскільки їхні ізоляційні властивості роблять їх нездатними поглинати багато світла.

«Ми беремо матеріал, який усі вважали електрично інертним, і даємо йому нове життя-таке, яке могло б стати джерелом живлення наступного покоління м’якої, гнучкої електроніки», — сказав Цзіцзін (Джекі) Чжан, докторант кафедри матеріалознавства та інженерії U-M та провідний автор дослідження.