Elektriği İletebilecek-Kuralları Kıran, Renkli Bir Silikon

Yeni keşfedilen bir silikon çeşidi yarı iletkendir. Michigan Üniversitesi araştırmacıları,-malzeme sınıfının yalnızca yalıtkan olduğuna dair altüst edici varsayımlar keşfettiler.

Malzeme bilimi ve mühendisliği ile makromoleküler bilim ve mühendislik profesörü ve yakın zamanda Macromolecular Rapid Communications'da yayınlanan çalışmanın ilgili yazarı Richard Laine, "Malzeme, yeni türde düz panel ekranlar, esnek fotovoltaikler, giyilebilir sensörler ve hatta farklı desen veya görüntüler görüntüleyebilen giysiler için fırsatların önünü açıyor" dedi.

Silikon yağları ve kauçuklar-polisiloksanlar ve silseskioksanlar-geleneksel olarak yalıtım malzemeleridir, yani elektrik veya ısı akışına direnç gösterirler. Suya-dayanıklılık özellikleri onları biyomedikal cihazlarda, sızdırmazlık maddelerinde, elektronik kaplamalarda ve daha birçok alanda kullanışlı kılar.

Bu arada, geleneksel yarı iletkenler tipik olarak katıdır. Yarı iletken silikon, Laine'in tanımladığı esnek elektroniklerin yanı sıra çeşitli renklerde gelen silikonları da mümkün kılma potansiyeline sahiptir.

Moleküler düzeyde silikonlar, silikona bağlı organik (karbon- bazlı) gruplarla birlikte alternatif silikon ve oksijen atomlarından (Si-O{-Si) oluşan bir omurgadan oluşur. Polimer zincirlerinin çeşitli 3 boyutlu oluşumları, çapraz-bağlanma olarak bilinen ve malzemenin dayanıklılık veya çözünürlük gibi fiziksel özelliklerini değiştiren, birbirine bağlandıkça ortaya çıkar.

Araştırma ekibi, silikondaki farklı çapraz-bağlayıcı yapıları incelerken, iki farklı türde tekrarlanan birim-kafes{-yapılı ve ardından bu durumda doğrusal silikonlar içeren bir polimer zinciri olan bir kopolimerdeki elektriksel iletkenlik potansiyeline rastladı.

İletkenlik olasılığı, elektronların örtüşen yörüngelere sahip Si-O-Si bağları boyunca hareket edebilme şeklinden kaynaklanır. Yarı iletkenlerin iki ana durumu vardır: elektriği iletmeyen temel durum ve bunu yapan iletken durum. Uyarılmış durum olarak da bilinen iletken durum, bazı elektronların bir metal gibi malzemeye bağlanan bir sonraki elektron yörüngesine sıçradığı zaman meydana gelir.

Tipik olarak Si-O-Si bağ açıları bu bağlantıya izin vermez. 110 derecede, 180 derecelik düz çizgiden çok uzaktalar. Ancak ekibin keşfettiği silikon kopolimerde, bu bağlar temel durumda 140 derecede başlıyor-ve uyarılmış durumda 150 dereceye kadar uzanıyor. Bu, elektrik yükünün akması için bir otoyol oluşturmak için yeterliydi.

Laine, "Bu, bu kopolimerlerdeki Si-O-Si bağları dahil olmak üzere birden fazla bağdaki elektronlar arasında beklenmedik bir etkileşime izin verir" dedi. "Zincir uzunluğu ne kadar uzun olursa, elektronların daha uzun mesafelere gitmesi o kadar kolay olur, bu da ışığı absorbe etmek ve daha sonra onu daha düşük enerjilerde yaymak için gereken enerjiyi azaltır."

Silikon kopolimerlerin yarı iletken özellikleri aynı zamanda renk spektrumunu da mümkün kılar. Elektronlar, fotonları veya ışık parçacıklarını emip yayarak temel ve uyarılmış durumlar arasında atlarlar. Işık emisyonu, Laine ekibinin kontrol edebildiği kopolimer zincirinin uzunluğuna bağlıdır. Daha uzun zincir uzunlukları, daha küçük sıçramalar ve daha düşük enerjili fotonlar anlamına gelir ve silikona kırmızı bir renk verir. Daha kısa zincirler elektronlardan daha büyük sıçramalar gerektirir, bu nedenle spektrumun mavi ucuna doğru daha yüksek enerjili ışık yayarlar.

Zincir uzunluğu ile ışık emilimi ve emisyonu arasındaki bağlantıyı göstermek için araştırmacılar, farklı zincir uzunluklarına sahip kopolimerleri ayırıp test tüplerinde uzundan kısaya doğru düzenlediler. Tüplerin üzerine UV ışığı uygulandığında, her biri ışığı farklı enerjilerde emip yaydığı için tam bir gökkuşağı oluşuyor.

Kopolimer zincir uzunluğuna dayalı renkli dizi özellikle benzersizdir çünkü bu noktaya kadar silikonların yalnızca şeffaf veya beyaz olduğu biliniyordu çünkü yalıtım özellikleri onları fazla ışık ememez hale getiriyordu.

Malzeme bilimi ve mühendisliği alanında doktora öğrencisi ve çalışmanın baş yazarı Zijing (Jackie) Zhang, "Herkesin elektriksel olarak hareketsiz olduğunu düşündüğü bir malzemeyi alıyoruz ve ona-yeni nesil yumuşak, esnek elektroniklere güç verebilecek yeni bir hayat veriyoruz" dedi.