Правило-Невероятное: цветной силикон, проводящий электричество

Недавно обнаруженный вариант силикона является полупроводником. Исследователи Мичиганского университета обнаружили-опровержение предположений о том, что этот класс материалов является исключительно изолирующим.

«Этот материал открывает возможности для новых типов плоских дисплеев, гибких фотоэлектрических элементов, носимых датчиков и даже одежды, которая может отображать различные узоры или изображения», — сказал Ричард Лейн, профессор материаловедения и инженерии в Университете Массачусетса, а также макромолекулярной науки и техники и автор исследования, недавно опубликованного в журнале Macromolecular Rapid Communications.

Силиконовые масла и каучуки-полисилоксаны и силсесквиоксаны-традиционно являются изоляционными материалами, то есть они противостоят потоку электричества и тепла. Их водо-стойкие свойства делают их полезными в биомедицинских устройствах, герметиках, электронных покрытиях и т. д.

Между тем, обычные полупроводники обычно являются жесткими. Полупроводниковый силикон потенциально может стать основой для создания гибкой электроники, описанной Лейном, а также силикона, который выпускается в различных цветах.

На молекулярном уровне силиконы состоят из основной цепи, состоящей из чередующихся атомов кремния и кислорода (Si-O-Si) с органическими (на основе углерода-) группами, прикрепленными к кремнию. Различные трехмерные образования полимерных цепей возникают, когда они соединяются друг с другом (так называемые поперечные-сшивки), которые изменяют физические свойства материала, такие как прочность или растворимость.

Изучая различные-сшивающие структуры в силиконе, исследовательская группа наткнулась на возможность электропроводности сополимера, который представляет собой полимерную цепь, содержащую два разных типа повторяющихся звеньев-каркасного-структурированного, а затем линейного силикона в данном случае.

Возможность проводимости возникает из-за того, что электроны могут перемещаться по связям Si-O-Si с перекрывающимися орбиталями. Полупроводники имеют два основных состояния: основное состояние, которое не проводит электричество, и проводящее состояние, которое проводит. Проводящее состояние, также известное как возбужденное состояние, возникает, когда некоторые электроны перепрыгивают на следующую электронную орбиталь, которая соединена с материалом, как металл.

Обычно валентные углы Si-O-Si не допускают такого соединения. При угле 110 градусов они далеки от прямой линии в 180 градусов. Но в сополимере силикона, обнаруженном командой, эти связи начинаются при 140 градусах в основном состоянии- и растягиваются до 150 градусов в возбужденном состоянии. Этого было достаточно, чтобы создать магистраль для потока электрического заряда.

«Это обеспечивает неожиданное взаимодействие между электронами через несколько связей, включая связи Si-O-Si в этих сополимерах», — сказал Лейн. «Чем длиннее длина цепи, тем легче электронам преодолевать большие расстояния, уменьшая энергию, необходимую для поглощения света, а затем испускания его с более низкими энергиями».

Полупроводниковые свойства силиконовых сополимеров также обеспечивают цветовую гамму. Электроны прыгают между основным и возбужденным состояниями, поглощая и испуская фотоны или частицы света. Световое излучение зависит от длины цепи сополимера, которую команда Лэйна может контролировать. Более длинные цепи означают меньшие прыжки и фотоны с меньшей энергией, что придает силикону красный оттенок. Более короткие цепочки требуют больших прыжков от электронов, поэтому они излучают свет более высокой энергии в направлении синего конца спектра.

Чтобы продемонстрировать связь между длиной цепи и поглощением и излучением света, исследователи разделили сополимеры с цепями разной длины и разместили их в пробирках от длинных до коротких. Освещение трубок УФ-светом создает полную радугу, поскольку каждая из них поглощает и излучает свет с разной энергией.

Цветной массив, основанный на длине цепи сополимера, особенно уникален, поскольку до сих пор было известно, что силиконы бывают прозрачными или белыми только потому, что их изолирующие свойства не позволяют им поглощать много света.

"Мы берем материал, который все считали электрически инертным, и даем ему новую жизнь-, который может стать основой для следующего поколения мягкой, гибкой электроники", - сказал Цзыцзин (Джеки) Чжан, аспирант кафедры материаловедения и инженерии Университета-M и ведущий автор исследования.