Ein regelwidriges, farbenfrohes Silikon, das Elektrizität leiten könnte

Bei einer neu entdeckten Silikonvariante handelt es sich um einen Halbleiter. Forscher der University of Michigan haben -umgekehrte Annahmen entdeckt, dass die Materialklasse ausschließlich isolierend ist.

„Das Material eröffnet die Möglichkeit für neue Arten von Flachbildschirmen, flexibler Photovoltaik, tragbaren Sensoren oder sogar Kleidung, die unterschiedliche Muster oder Bilder anzeigen können“, sagte Richard Laine, U-M-Professor für Materialwissenschaft und -technik sowie makromolekulare Wissenschaft und Technik und korrespondierender Autor der kürzlich in Macromolecular Rapid Communications veröffentlichten Studie.

Silikonöle und -kautschuke-Polysiloxane und Silsesquioxane-sind traditionell isolierende Materialien, das heißt, sie widerstehen dem Strom- oder Wärmefluss. Ihre wasserbeständigen Eigenschaften machen sie nützlich für biomedizinische Geräte, Dichtungsmassen, elektronische Beschichtungen und mehr.

Herkömmliche Halbleiter sind hingegen typischerweise starr. Halbleitersilikon hat das Potenzial, die von Laine beschriebene flexible Elektronik zu ermöglichen, ebenso wie Silikon, das in verschiedenen Farben erhältlich ist.

Auf molekularer Ebene bestehen Silikone aus einem Grundgerüst aus abwechselnden Silizium- und Sauerstoffatomen (Si-O-Si) mit organischen (auf Kohlenstoff- basierenden) Gruppen, die an das Silizium gebunden sind. Bei der Verbindung miteinander entstehen verschiedene 3D-Formationen von Polymerketten, die als Vernetzung bezeichnet werden und die physikalischen Eigenschaften des Materials wie Festigkeit oder Löslichkeit verändern.

Bei der Untersuchung verschiedener Vernetzungsstrukturen in Silikon stieß das Forscherteam auf das Potenzial für elektrische Leitfähigkeit in einem Copolymer, bei dem es sich um eine Polymerkette handelt, die zwei verschiedene Arten von Wiederholungseinheiten enthält, die in diesem Fall {{1}käfig-strukturiert und dann linear sind.

Die Möglichkeit einer Leitfähigkeit ergibt sich aus der Art und Weise, wie sich Elektronen über Si-O-Si-Bindungen mit überlappenden Orbitalen bewegen können. Halbleiter haben zwei Hauptzustände: den Grundzustand, der keinen Strom leitet, und einen leitenden Zustand, der dies tut. Der leitende Zustand, auch angeregter Zustand genannt, entsteht, wenn einige Elektronen zum nächsten Elektronenorbital aufsteigen, das wie ein Metall mit dem Material verbunden ist.

Typischerweise lassen Si-O-Si-Bindungswinkel diese Verbindung nicht zu. Bei 110 Grad sind sie weit von einer 180-Grad-Geraden entfernt. Aber in dem vom Team entdeckten Silikoncopolymer beginnen diese Bindungen im Grundzustand bei 140 Grad-und dehnen sich im angeregten Zustand auf 150 Grad aus. Dies reichte aus, um eine Autobahn für den Stromfluss zu schaffen.

„Dies ermöglicht eine unerwartete Wechselwirkung zwischen Elektronen über mehrere Bindungen hinweg, einschließlich Si-O-Si-Bindungen in diesen Copolymeren“, sagte Laine. „Je länger die Kettenlänge, desto einfacher ist es für Elektronen, längere Distanzen zurückzulegen, wodurch sich die Energie verringert, die benötigt wird, um Licht zu absorbieren und es dann bei niedrigeren Energien zu emittieren.“

Die halbleitenden Eigenschaften der Silikoncopolymere ermöglichen auch dessen Farbspektrum. Elektronen springen zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand, indem sie Photonen oder Lichtteilchen absorbieren und emittieren. Die Lichtemission hängt von der Länge der Copolymerkette ab, die Laines Team steuern kann. Längere Kettenlängen bedeuten kleinere Sprünge und Photonen mit geringerer Energie, was dem Silikon einen roten Farbton verleiht. Kürzere Ketten erfordern größere Sprünge von den Elektronen, sodass sie energiereicheres Licht zum blauen Ende des Spektrums hin emittieren.

Um den Zusammenhang zwischen Kettenlänge und Lichtabsorption und -emission zu demonstrieren, trennten die Forscher Copolymere mit unterschiedlichen Kettenlängen und ordneten sie in Reagenzgläsern von lang nach kurz an. Wenn man die Röhren mit UV-Licht bestrahlt, entsteht ein voller Regenbogen, da jede Röhre das Licht mit unterschiedlichen Energien absorbiert und abgibt.

Die auf der Kettenlänge des Copolymers basierende Farbanordnung ist besonders einzigartig, da Silikone bisher nur als transparent oder weiß bekannt waren, weil sie aufgrund ihrer isolierenden Eigenschaften nicht viel Licht absorbieren können.

„Wir nehmen ein Material, von dem jeder dachte, es sei elektrisch inert, und geben ihm ein neues Leben-eines, das die nächste Generation weicher, flexibler Elektronik antreiben könnte“, sagte Zijing (Jackie) Zhang, U-M-Doktorandin der Materialwissenschaften und -technik und Hauptautorin der Studie.