En regel-brytande, färgglad silikon som kan leda elektricitet

En nyupptäckt silikonvariant är en halvledare. Forskare från University of Michigan har upptäckt-uppåtriktade antaganden om att materialklassen uteslutande är isolerande.

"Materialet öppnar möjligheten för nya typer av platta bildskärmar, flexibla solceller, bärbara sensorer eller till och med kläder som kan visa olika mönster eller bilder", säger Richard Laine, U-M professor i materialvetenskap och teknik och makromolekylär vetenskap och teknik och motsvarande författare till studien som nyligen publicerades i Macromolecular Rapid Communications.

Silikonoljor och gummin-polysiloxaner och silsesquioxaner-är traditionellt isolerande material, vilket innebär att de motstår flödet av elektricitet eller värme. Deras vatten-beständiga egenskaper gör dem användbara i biomedicinska apparater, tätningsmedel, elektroniska beläggningar och mer.

Samtidigt är konventionella halvledare vanligtvis stela. Halvledande silikon har potentialen att möjliggöra den flexibla elektronik som Laine beskrivit samt silikon som finns i en mängd olika färger.

På molekylär nivå är silikoner uppbyggda av en ryggrad av alternerande kisel- och syreatomer (Si-O-Si) med organiska (kol-baserade) grupper fästa till kislet. Olika 3D-formationer av polymerkedjor uppstår när de ansluter till varandra, känd som tvärbindning, vilket förändrar materialets fysikaliska egenskaper som styrka eller löslighet.

När forskargruppen studerade olika tvärbindningsstrukturer i silikon, snubblade forskargruppen på potentialen för elektrisk ledningsförmåga i en sampolymer, som är en polymerkedja som innehåller två olika typer av repeterande enheter-bur-strukturerade och sedan linjära silikoner i det här fallet.

Möjligheten för konduktivitet uppstår från hur elektroner kan röra sig över Si-O-Si-bindningar med överlappande orbitaler. Halvledare har två huvudtillstånd: grundtillståndet, som inte leder elektricitet, och ett ledande tillstånd, som gör det. Det ledande tillståndet, även känt som ett exciterat tillstånd, uppstår när några elektroner hoppar upp till nästa elektronorbital, som är ansluten över materialet som en metall.

Vanligtvis tillåter Si-O-Si-bindningsvinklar inte den anslutningen. Vid 110 grader är de långt från en 180 graders rak linje. Men i silikonsampolymeren som teamet upptäckte började dessa bindningar vid 140 grader i grundtillståndet-och de sträcker sig till 150 grader i exciterat tillstånd. Detta var tillräckligt för att skapa en motorväg för elektrisk laddning att flöda.

"Detta tillåter en oväntad interaktion mellan elektroner över flera bindningar inklusive Si-O-Si-bindningar i dessa sampolymerer," sa Laine. "Ju längre kedjan är, desto lättare är det för elektroner att resa längre sträckor, vilket minskar den energi som behövs för att absorbera ljus och sedan avge det vid lägre energier."

De halvledande egenskaperna hos silikonsampolymererna möjliggör också dess spektrum av färger. Elektroner hoppar mellan marken och exciterade tillstånd genom att absorbera och sända ut fotoner eller ljuspartiklar. Ljusemissionen beror på längden på sampolymerkedjan, som Laines team kan kontrollera. Längre kedjelängder innebär mindre hopp och lägre energifotoner, vilket ger silikonen en röd nyans. Kortare kedjor kräver större hopp från elektronerna, så de avger ljus med högre energi mot den blå änden av spektrumet.

För att visa sambandet mellan kedjelängd och ljusabsorption och emission separerade forskarna sampolymerer med olika kedjelängder och ordnade dem i provrör från långa till korta. Att lysa ett UV-ljus på rören skapar en full regnbåge eftersom var och en absorberar och avger ljuset med olika energier.

Den färgglada uppsättningen baserad på sampolymerkedjelängd är särskilt unik eftersom silikoner fram till denna punkt endast har varit kända för att vara transparenta eller vita eftersom deras isolerande egenskaper gör att de inte kan absorbera mycket ljus.

"Vi tar ett material som alla trodde var elektriskt inert och ger det ett nytt liv-som kan driva nästa generation av mjuk, flexibel elektronik", säger Zijing (Jackie) Zhang, U-M doktorand i materialvetenskap och ingenjörsvetenskap och huvudförfattare till studien.