규칙-전기를 전도할 수 있는 획기적인 다채로운 실리콘

새로 발견된 실리콘 변형은 반도체입니다. 미시간 대학교 연구원들은{0}}재료 종류가 전적으로 절연성이라는 뒤집힌 가정을 발견했습니다.

"이 물질은 새로운 유형의 평면 패널 디스플레이, 유연한 광전지, 웨어러블 센서 또는 다양한 패턴이나 이미지를 표시할 수 있는 의류에 대한 기회를 열어줍니다."라고 U-M 재료 과학 및 공학, 고분자 과학 및 공학 교수이자 최근 Macromolecular Rapid Communications에 발표된 연구의 교신 저자인 Richard Laine이 말했습니다.

실리콘 오일과 고무-폴리실록산과 실세스퀴옥산-은 전통적으로 절연 재료로, 전기나 열의 흐름에 저항합니다. 방수- 특성으로 인해 생체의학 장치, 밀봉재, 전자 코팅 등에 유용합니다.

한편, 기존의 반도체는 일반적으로 단단합니다. 반도체 실리콘은 Laine이 설명하는 유연한 전자 장치뿐만 아니라 다양한 색상으로 제공되는 실리콘을 구현할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

분자 수준에서 실리콘은 실리콘과 산소 원자(Si-O-Si)가 교대로 배열되어 있고 유기(탄소-기반) 그룹이 실리콘에 부착되어 있는 골격으로 구성됩니다. 폴리머 사슬의 다양한 3D 형성은 서로 연결될 때 발생하며, 이는 가교-연결로 알려져 있으며, 이는 강도나 용해도와 같은 재료의 물리적 특성을 변경합니다.

실리콘의 다양한 가교 구조를 연구하는 동안 연구팀은 두 가지 유형의 반복 단위-케이지-구조를 포함하는 고분자 사슬과 이 경우 선형 실리콘을 포함하는 고분자 사슬인 공중합체에서 전기 전도도의 가능성을 우연히 발견했습니다.

전도성의 가능성은 전자가 궤도가 겹치는 Si-O-Si 결합을 통해 이동할 수 있는 방식에서 발생합니다. 반도체에는 전기를 전도하지 않는 접지 상태와 전기를 전도하는 전도 상태라는 두 가지 주요 상태가 있습니다. 여기 상태라고도 알려진 전도 상태는 일부 전자가 금속처럼 물질을 가로질러 연결된 다음 전자 궤도로 점프할 때 발생합니다.

일반적으로 Si-O-Si 결합 각도는 해당 연결을 허용하지 않습니다. 110도에서는 180도 직선에서 멀리 떨어져 있습니다. 그러나 연구팀이 발견한 실리콘 공중합체에서는 이러한 결합이 바닥 상태에서 140도에서 시작하여{7}}여기 상태에서 150도까지 늘어납니다. 이는 전하가 흐르는 고속도로를 만들기에 충분했습니다.

"이것은 이러한 공중합체의 Si-O-Si 결합을 포함한 다중 결합에 걸쳐 전자 사이의 예상치 못한 상호 작용을 허용합니다"라고 Laine은 말했습니다. "사슬 길이가 길수록 전자가 더 먼 거리를 이동하기가 더 쉬워지고 빛을 흡수한 다음 더 낮은 에너지로 방출하는 데 필요한 에너지가 줄어듭니다."

실리콘 공중합체의 반도체 특성으로 인해 색상 스펙트럼도 가능해집니다. 전자는 광자 또는 빛의 입자를 흡수하고 방출하여 바닥 상태와 들뜬 상태 사이를 이동합니다. 빛 방출은 Laine 팀이 제어할 수 있는 공중합 사슬의 길이에 따라 달라집니다. 체인 길이가 길수록 점프가 작아지고 광자 에너지가 낮아져 실리콘에 붉은 색조가 나타납니다. 사슬이 짧을수록 전자로부터 더 큰 도약이 필요하므로 스펙트럼의 파란색 끝 쪽으로 더 높은 에너지의 빛을 방출합니다.

사슬 길이와 빛의 흡수 및 방출 사이의 연관성을 입증하기 위해 연구진은 사슬 길이가 서로 다른 공중합체를 분리하여 긴 것에서 짧은 것으로 시험관에 배열했습니다. 튜브에 UV 광선을 비추면 각각이 서로 다른 에너지의 빛을 흡수하고 방출하면서 완전한 무지개가 생성됩니다.

공중합 사슬 길이에 따른 다채로운 배열은 지금까지 실리콘이 절연 특성으로 인해 많은 빛을 흡수할 수 없기 때문에 투명하거나 흰색으로만 알려져 있었기 때문에 특히 독특합니다.

"우리는 모든 사람들이 전기적으로 비활성이라고 생각했던 재료를 가져와{0}}차세대 부드럽고 유연한 전자 장치를 구동할 수 있는 새로운 생명을 불어넣고 있습니다."라고 재료 과학 및 공학 박사 과정 학생이자 이번 연구의 주저자인 Zijing (Jackie) Zhang이{1}} 말했습니다.