Regla-Brýtur, litríkt sílikon sem gæti leitt rafmagn

Nýfundið kísillafbrigði er hálfleiðari, vísindamenn við háskólann í Michigan hafa uppgötvað-uppgjörar forsendur um að efnisflokkurinn sé eingöngu einangrandi.

„Efnið opnar tækifæri fyrir nýjar gerðir flatskjáa, sveigjanlegra ljósvaka, nothæfra skynjara eða jafnvel fatnað sem getur sýnt mismunandi mynstur eða myndir,“ sagði Richard Laine, U-M prófessor í efnisvísindum og verkfræði og stórsameindavísindum og verkfræði og samsvarandi höfundur rannsóknarinnar sem nýlega var birt í Macromolecular Rapid Communications.

Kísilolíur og gúmmí-pólýsiloxan og silsesquioxan-eru venjulega einangrunarefni, sem þýðir að þau standast flæði rafmagns eða hita. Vatns-eiginleikar þeirra gera þau gagnleg í lífeindatækni, þéttiefni, rafeindahúð og fleira.

Á sama tíma eru hefðbundnir hálfleiðarar venjulega stífir. Hálfleiðandi kísill hefur möguleika á að virkja sveigjanlega rafeindabúnaðinn sem Laine lýsti sem og kísill sem kemur í ýmsum litum.

Á sameindastigi eru kísill úr burðarás kísil- og súrefnisatóma til skiptis (Si-O-Si) með lífrænum (kolefnis-byggðum) hópum sem eru tengdir við sílikonið. Ýmsar þrívíddarmyndanir fjölliðakeðja myndast þegar þær tengjast hver annarri, þekktar sem krosstengingar, sem breyta eðliseiginleikum efnisins eins og styrkleika eða leysni.

Þegar rannsakað var mismunandi víxltengingarbyggingar í sílikoni, rakst rannsóknarteymið á möguleika á rafleiðni í samfjölliða, sem er fjölliðakeðja sem inniheldur tvær mismunandi gerðir af endurteknum einingum-búr-uppbyggðum og síðan línulegum sílikonum í þessu tilfelli.

Möguleikinn á leiðni stafar af því hvernig rafeindir geta farið yfir Si-O-Si-tengi með svigrúmum sem skarast. Hálfleiðarar hafa tvö meginástand: jarðástand, sem leiðir ekki rafmagn, og leiðandi ástand, sem gerir það. Leiðandi ástand, einnig þekkt sem spennt ástand, á sér stað þegar sumar rafeindir hoppa upp á næsta rafeindasvigrúm, sem er tengt yfir efnið eins og málmur.

Venjulega leyfa Si-O-Si tengihorn ekki fyrir þá tengingu. Við 110 gráður eru þeir langt frá 180 gráðu beinni línu. En í kísilsamfjölliðunni sem teymið uppgötvaði byrjuðu þessar tengingar við 140 gráður í jörðu-og þær teygjast upp í 150 gráður í spenntu ástandi. Þetta var nóg til að búa til hraðbraut fyrir rafhleðslu.

„Þetta leyfir óvænt víxlverkun milli rafeinda á milli margra tengi, þar á meðal Si-O-Si-tengi í þessum samfjölliðum,“ sagði Laine. "Því lengri keðjulengd, því auðveldara er fyrir rafeindir að ferðast lengri vegalengdir, draga úr orkunni sem þarf til að gleypa ljós og gefa það síðan frá sér við minni orku."

Hálfleiðandi eiginleikar kísilsamfjölliðanna gera einnig litaróf þess kleift. Rafeindir hoppa á milli jarðar og spennt ástand með því að gleypa og gefa frá sér ljóseindir, eða ljósagnir. Ljóslosunin fer eftir lengd samfjölliðakeðjunnar, sem teymi Laine getur stjórnað. Lengri keðjulengd þýðir minni stökk og ljóseindir með minni orku, sem gefur sílikoninu rauðan blæ. Styttri keðjur þurfa stærri stökk frá rafeindunum, þannig að þær gefa frá sér orkumeiri ljós í átt að bláa enda litrófsins.

Til að sýna fram á tengsl keðjulengdar og ljósgleypni og -losunar, aðskildu vísindamennirnir samfjölliður með mismunandi keðjulengd og raðaðu þeim í tilraunaglös frá löngum til stuttum. Með því að skína UV-ljósi á rörin myndast fullur regnbogi þar sem hver og einn gleypir og gefur frá sér ljósið með mismunandi orku.

Litríka fylkið byggt á lengd samfjölliða keðju er sérstaklega einstakt vegna þess að fram að þessu hefur sílikon aðeins verið þekkt fyrir að vera gagnsætt eða hvítt vegna þess að einangrandi eiginleikar þeirra gera það að verkum að þau geta ekki tekið mikið ljós.

„Við erum að taka efni sem allir héldu að væri rafmagnsóvirkt og gefa því nýtt líf-sem gæti knúið næstu kynslóð mjúkra, sveigjanlegra raftækja,“ sagði Zijing (Jackie) Zhang, U-M doktorsnemi í efnisfræði og verkfræði og aðalhöfundur rannsóknarinnar.