"Этот материал открывает возможности для новых типов плоских дисплеев, гибких фотоэлектрических устройств, носимых датчиков или даже одежды, которые могут отображать различные узоры или изображения", - сказал Ричард Лэйн, профессор материаловедения и инженерии в Калифорнийском университете и автор исследования, недавно опубликованного в Macromolecular. Быстрая связь.

Силиконовые масла и каучуки - полисилоксаны и силсесквиоксаны - традиционно являются изоляционными материалами, что означает, что они противостоят потоку электричества или тепла. Их водостойкие свойства делают их полезными в биомедицинских устройствах, герметиках, электронных покрытиях и многом другом.

Между тем, обычные полупроводники, как правило, жесткие. Полупроводниковый силикон обладает потенциалом для создания гибкой электроники, описанной Лейном, а также силикона, который выпускается в различных цветах.

На молекулярном уровне силиконы состоят из цепочки чередующихся атомов кремния и кислорода (Si - O - Si) с органическими (на основе углерода) группами, присоединенными к кремнию. Различные трехмерные образования полимерных цепей возникают при их соединении друг с другом, известные как поперечные сшивки, которые изменяют физические свойства материала, такие как прочность или растворимость.

Изучая различные структуры сшивки в силиконе, исследовательская группа наткнулась на потенциальную электропроводность сополимера, который представляет собой полимерную цепь, содержащую два разных типа повторяющихся звеньев - в данном случае силиконы с клеточной структурой, а затем линейные силиконы.

Возможность возникновения 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 перескакивают на следующую электронную орбиталь, которая соединена поперек материала подобно металлу.

Как правило, углы соединения Si - O - Si не допускают такого соединения. При 110° они находятся далеко от прямой линии в 180°. Но в обнаруженном командой силиконовом сополимере эти связи начинаются при 140° в основном состоянии и растягиваются до 150° в возбужденном состоянии. Этого было достаточно, чтобы создать магистраль для прохождения электрического заряда.

"Это обеспечивает неожиданное взаимодействие между электронами по множеству связей, включая связи Si - O - Si в этих сополимерах", - сказал Лейн. "Чем больше длина цепочки, тем легче электронам преодолевать большие расстояния, уменьшая энергию, необходимую для поглощения света и последующего его излучения при более низких энергиях".

Полупроводниковые свойства силиконовых сополимеров также обеспечивают их цветовую гамму. Электроны перескакивают между основным и возбужденным состояниями, поглощая и испуская фотоны, или частицы света. Излучение света зависит от длины сополимерной цепи, которую команда Лейна может контролировать. Большая длина цепочки означает меньшие скачки и фотоны с меньшей энергией, придающие силикону красный оттенок. Более короткие цепочки требуют больших скачков от электронов, поэтому они излучают свет с более высокой энергией в направлении синего конца спектра.

Чтобы продемонстрировать связь между длиной цепи и поглощением и излучением света, исследователи разделили сополимеры с разной длиной цепи и расположили их в пробирках от длинных к коротким. Излучение ультрафиолетового света на трубки создает полную радугу, поскольку каждая из них поглощает и излучает свет с разной энергией.

Цветовая гамма, основанная на длине сополимерной цепи, особенно уникальна, 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 - тот, который мог бы стать источником питания для следующего поколения мягкой, гибкой электроники", - сказал Цзыцзин (Джеки) Чжан, докторант кафедры материаловедения и инженерии Калифорнийского университета и ведущий автор исследования.

Исследование финансировалось Национальным научным фондом США (2103628) и Национальным фондом науки, исследований и инноваций Таиланда (NSRF) через Подразделение управления программами в области человеческих ресурсов и институционального развития, исследований и инноваций (B16F640099).