Barvit silikon,-ki krši pravila, ki lahko prevaja elektriko

Na novo odkrita različica silikona je polprevodnik, so raziskovalci Univerze v Michiganu odkrili-na podlagi predpostavk, da je razred materiala izključno izolacijski.

"Gradivo odpira priložnost za nove vrste ploščatih zaslonov, prilagodljive fotovoltaike, nosljive senzorje ali celo oblačila, ki lahko prikazujejo različne vzorce ali slike," je dejal Richard Laine, profesor znanosti o materialih in inženiringa ter makromolekularne znanosti in inženiringa v U-M in ustrezni avtor študije, nedavno objavljene v Macromolecular Rapid Communications.

Silikonska olja in gume-polisiloksani in silseskvioksani-so tradicionalno izolacijski materiali, kar pomeni, da so odporni na pretok električne energije ali toplote. Zaradi vodoodpornosti so uporabni v biomedicinskih napravah, tesnilih, elektronskih premazih in še več.

Običajni polprevodniki so običajno togi. Polprevodniški silikon lahko omogoči fleksibilno elektroniko, ki jo je Laine opisal, pa tudi silikon, ki je na voljo v različnih barvah.

Na molekularni ravni so silikoni sestavljeni iz hrbtenice izmenjujočih se atomov silicija in kisika (Si-O-Si) z organskimi skupinami (na osnovi ogljika-), ki so pritrjene na silicij. Različne 3D tvorbe polimernih verig nastanejo med povezovanjem med seboj, kar je znano kot navzkrižno-povezovanje, ki spremeni fizikalne lastnosti materiala, kot sta trdnost ali topnost.

Med preučevanjem različnih navzkrižno{0}}povezovalnih struktur v silikonu je raziskovalna skupina naletela na potencial električne prevodnosti v kopolimeru, ki je polimerna veriga, ki vsebuje dve različni vrsti ponavljajočih se enot-kletke-strukturiranih in nato linearnih silikonov v tem primeru.

Možnost za prevodnost izhaja iz načina, kako se lahko elektroni gibljejo čez vezi Si-O-Si s prekrivajočimi se orbitalami. Polprevodniki imajo dve glavni stanji: osnovno stanje, ki ne prevaja elektrike, in prevodno stanje, ki jo. Prevodno stanje, znano tudi kot vzbujeno stanje, se pojavi, ko nekaj elektronov skoči na naslednjo elektronsko orbitalo, ki je povezana čez material kot kovina.

Vezni koti Si-O-Si običajno ne omogočajo te povezave. Pri 110 stopinjah so daleč od 180 stopinjske ravne črte. Toda v silikonskem kopolimeru, ki ga je odkrila ekipa, so se te vezi začele pri 140 stopinjah v osnovnem stanju-in se raztezajo do 150 stopinj v vzbujenem stanju. To je bilo dovolj za ustvarjanje avtoceste za pretok električnega naboja.

"To omogoča nepričakovano interakcijo med elektroni prek več vezi, vključno z vezmi Si-O-Si v teh kopolimerih," je dejal Laine. "Daljša kot je dolžina verige, lažje elektroni potujejo na daljše razdalje, kar zmanjša energijo, potrebno za absorpcijo svetlobe in jo nato oddaja pri nižjih energijah."

Polprevodniške lastnosti silikonskih kopolimerov omogočajo tudi njegov spekter barv. Elektroni skačejo med osnovnim in vzbujenim stanjem tako, da absorbirajo in oddajajo fotone ali delce svetlobe. Emisija svetlobe je odvisna od dolžine kopolimerne verige, ki jo Laineova ekipa lahko nadzoruje. Daljše dolžine verige pomenijo manjše skoke in manjšo energijo fotonov, kar daje silikonu rdeč odtenek. Krajše verige zahtevajo večje skoke elektronov, zato oddajajo višjo energijsko svetlobo proti modremu koncu spektra.

Da bi dokazali povezavo med dolžino verige ter absorpcijo in emisijo svetlobe, so raziskovalci ločili kopolimere z različnimi dolžinami verige in jih razporedili v epruvete od dolgih do kratkih. Obsevanje cevi z UV svetlobo ustvari polno mavrico, saj vsaka absorbira in oddaja svetlobo z različnimi energijami.

Barvit niz, ki temelji na dolžini kopolimerne verige, je še posebej edinstven, ker je bilo do te točke znano, da so silikoni prozorni ali beli, ker zaradi svojih izolacijskih lastnosti ne morejo absorbirati veliko svetlobe.

»Vzamemo material, za katerega so vsi mislili, da je električno inerten, in mu damo novo življenje-, ki bi lahko poganjalo naslednjo generacijo mehke, prilagodljive elektronike,« je povedala Zijing (Jackie) Zhang, doktorska študentka znanosti o materialih in inženiringa U-M in glavna avtorica študije.