In regel-brekkend, kleurich silikon dat elektrisiteit koe liede

In nij ûntdutsen silikonfariant is in semiconductor, ûndersikers fan 'e Universiteit fan Michigan hawwe ûntdutsen -opkommende oannames dat de materiaalklasse eksklusyf isolearjend is.

"It materiaal iepenet de kâns foar nije soarten platte paniel-displays, fleksibele fotovoltaïken, draachbere sensoren of sels klean dy't ferskate patroanen of ôfbyldings kinne werjaan," sei Richard Laine, U-M heechlearaar materiaalwittenskip en yngenieur en makromolekulêre wittenskip en yngenieur en oerienkommende skriuwer fan 'e stúdzje dy't koartlyn publisearre is yn Macromolecular Rapid Communications.

Silicone oaljes en rubbers-polysiloxanen en silsesquioxanen-binne tradisjoneel isolearjende materialen, wat betsjut dat se de stream fan elektrisiteit of waarmte wjerstean. Harren wetter-resistinte eigenskippen meitsje se nuttich yn biomedyske apparaten, sealants, elektroanyske coatings en mear.

Underwilens binne konvinsjonele semiconductors typysk stiif. Semiconducting silicone hat it potinsjeel om te skeakeljen de fleksibele elektroanika Laine beskreaun likegoed as silicone dat komt yn in ferskaat oan kleuren.

Op molekulêr nivo binne silikonen opboud út in rêchbonke fan ôfwikseljend silisium en soerstofatomen (Si-O-Si) mei organyske (koalstof-basearre) groepen ferbûn oan it silisium. Ferskate 3D-formaasjes fan polymeerketen ûntsteane as se mei-inoar ferbine, bekend as cross-linking, dy't de fysike eigenskippen fan it materiaal feroarje, lykas sterkte of oplosberens.

By it bestudearjen fan ferskate cross-ferbiningsstruktueren yn silikon, stroffele it ûndersyksteam oer it potensjeel foar elektryske konduktiviteit yn in copolymeer, dat is in polymeerketen dy't twa ferskillende soarten werheljende ienheden befettet-kaai-strukturearre en dan lineêre silikonen yn dit gefal.

De mooglikheid foar konduktiviteit ûntstiet út 'e manier wêrop elektroanen oer Si-O-Si-bânen mei oerlappende orbitalen kinne bewege. Semiconductors hawwe twa haadtastân: de grûnstân, dy't gjin elektrisiteit liedt, en in liedende steat, dy't dat docht. De conductive steat, ek wol bekend as in excited state, komt foar as guon elektroanen springe omheech nei de folgjende elektron orbital, dat is ferbûn oer it materiaal as in metaal.

Typysk steane Si-O-Si-ferbiningshoeken dy ferbining net ta. By 110 graden binne se in lange wei fan in 180 graden rjochte line. Mar yn it silikonkopolymeer dat it team ûntduts, begûnen dizze bindingen op 140 graden yn 'e grûnstân - en se strekke har oant 150 graden yn' e opwûne steat. Dit wie genôch om in autodyk te meitsjen foar elektryske lading om te streamen.

"Dit soarget foar in ûnferwachte ynteraksje tusken elektroanen oer meardere bindingen, ynklusyf Si-O-Si-bindingen yn dizze kopolymeren," sei Laine. "Hoe langer de kettinglingte, hoe makliker it is foar elektroanen om langere ôfstannen te reizgjen, it ferminderjen fan de enerzjy dy't nedich is om ljocht op te nimmen en it dan út te stjoeren by legere enerzjy."

De halfgeleidende eigenskippen fan 'e silikon-kopolymeren meitsje ek it spektrum fan kleuren mooglik. Elektronen springe tusken de grûn en opteinste steaten troch fotonen, as dieltsjes fan ljocht, op te nimmen en út te stjoeren. De ljochtemisje hinget ôf fan 'e lingte fan' e copolymerketen, dy't Laine's team kin kontrolearje. Langere kettinglingten betsjutte lytsere sprongen en legere enerzjyfotonen, wêrtroch it silikon in reade tint jout. Koarte keatlingen fereaskje gruttere sprongen fan 'e elektroanen, sadat se hegere enerzjyljocht útstjitte nei it blauwe ein fan it spektrum.

Om de ferbining tusken kettinglingte en ljochtabsorption en útstjit oan te toanen, skieden de ûndersikers kopolymeren mei ferskillende kettinglingten en arranzjearre se yn testbuizen fan lang nei koart. It ljochtsjen fan in UV-ljocht op 'e buizen soarget foar in folsleine reinbôge, om't elk it ljocht op ferskate enerzjy absorbearret en útstjit.

De kleurige array basearre op copolymer keten lingte is benammen unyk, om't oant dit punt, siliconen binne allinnich bekend te wêzen transparant of wyt omdat harren isolearjende eigenskippen meitsje se net by steat om te absorbearjen folle ljocht.

"Wy nimme in materiaal dat elkenien tocht dat elektrysk inert wie en jouwe it in nij libben-ien dat de folgjende generaasje sêfte, fleksibele elektroanika kin oandriuwe," sei Zijing (Jackie) Zhang, U-M doktoraal studint fan materiaalwittenskip en technyk en haadauteur fan 'e stúdzje.