En nyupptäckt silikonvariant är en halvledare, har forskare vid University of Michigan upptäckt – vilket kullkastar antaganden om att materialklassen uteslutande är isolerande.
”Materialet öppnar upp möjligheter för nya typer av platta bildskärmar, flexibla solceller, bärbara sensorer eller till och med kläder som kan visa olika mönster eller bilder”, säger Richard Laine, professor i materialvetenskap och teknik samt makromolekylär vetenskap och teknik vid University of Michigan och huvudförfattare till studien som nyligen publicerades i Macromolecular Rapid Communications.
Silikonoljor och gummin – polysiloxaner och silsesquioxaner – är traditionellt isolerande material, vilket innebär att de motstår flödet av elektricitet eller värme. Deras vattenavvisande egenskaper gör dem användbara i biomedicinska apparater, tätningsmedel, elektroniska beläggningar och mycket mer.
Konventionella halvledare är däremot vanligtvis styva. Halvledande silikon har potential att möjliggöra den flexibla elektronik som Laine beskriver, liksom silikon i en mängd olika färger.
På molekylär nivå består silikoner av en ryggrad av alternerande kisel- och syreatomer (Si–O–Si) med organiska (kolbaserade) grupper bundna till kiseln. Olika 3D-formationer av polymerkedjor uppstår när de binds samman, vilket kallas tvärbindning, vilket förändrar materialets fysikaliska egenskaper såsom hållfasthet och löslighet.
Under studiet av olika tvärbindningsstrukturer i silikon upptäckte forskarteamet potentialen för elektrisk ledningsförmåga i en sampolymer, som är en polymerkedja som innehåller två olika typer av repetitiva enheter – i detta fall burstrukturerade och sedan linjära silikoner.
Möjligheten till ledningsförmåga uppstår genom att elektroner kan röra sig över Si–O–Si-bindningar med överlappande orbitaler. Halvledare har två huvudsakliga tillstånd: grundtillståndet, som inte leder elektricitet, och ett ledande tillstånd, som gör det. Det ledande tillståndet, även känt som ett exciterat tillstånd, uppstår när vissa elektroner hoppar upp till nästa elektronorbital, som är kopplad över materialet som en metall.
Normalt tillåter Si–O–Si-bindningsvinklar inte denna koppling. Med 110° är de långt ifrån en 180° rak linje. Men i den silikonsampolymer som teamet upptäckte började dessa bindningar på 140° i grundtillståndet – och sträckte sig till 150° i det exciterade tillståndet. Detta räckte för att skapa en motorväg för elektrisk laddning att flöda.
”Detta möjliggör en oväntad interaktion mellan elektroner över flera bindningar, inklusive Si–O–Si-bindningar i dessa sampolymerer”, säger Laine. ”Ju längre kedjelängden är, desto lättare är det för elektroner att färdas längre sträckor, vilket minskar den energi som behövs för att absorbera ljus och sedan avge det med lägre energi.”
De halvledande egenskaperna hos silikonsampolymererna möjliggör också dess färgspektrum. Elektroner hoppar mellan grundtillståndet och det exciterade tillståndet genom att absorbera och avge fotoner, eller ljuspartiklar. Den ljusemissionen beror på längden på sampolymerkedjan, som Laine och hans team kan kontrollera. Längre kedjor innebär mindre hopp och fotoner med lägre energi, vilket ger silikonet en röd nyans. Kortare kedjor kräver större hopp från elektronerna, så de avger ljus med högre energi mot den blå delen av spektrumet.
För att demonstrera sambandet mellan kedjelängd och ljusabsorption och -emission separerade forskarna sampolymerer med olika kedjelängder och ordnade dem i provrör från långa till korta. När man lyser med UV-ljus på rören skapas en fullständig regnbåge eftersom varje provrör absorberar och avger ljuset med olika energier.
Den färgsprakande uppsättningen baserad på sampolymerkedjans längd är särskilt unik, eftersom silikoner hittills endast varit kända för att vara transparenta eller vita eftersom deras isolerande egenskaper gör att de inte kan absorbera mycket ljus.
”Vi tar ett material som alla trodde var elektriskt inert och ger det ett nytt liv – ett liv som kan driva nästa generation av mjuka, flexibla elektronikkomponenter”, säger Zijing (Jackie) Zhang, doktorand i materialvetenskap och teknik vid U-M och huvudförfattare till studien.
Mer information: Zijing Zhang et al, σ–σ* conjugation Across Si─O─Si Bonds, Macromolecular Rapid Communications (2025). DOI: 10.1002/marc.202500081
