一种打破规则的多彩硅材料，能够导电

“这种材料为新类型的平面显示器、柔性光伏、电池传感器，甚至可以显示不同图案或图像的衣物提供了可能性，”材料科学与工程及高分子科学与工程的密歇根大学教授以及最近在《高分子快速通讯》上发表的研究的通讯作者理查德·莱恩说。

硅油和橡胶——聚硅氧烷和聚硅甙——传统上是绝缘材料，这意味着它们抵抗电流或热量的流动。它们的防水特性使它们在生物医学设备、密封剂、电子涂层等方面非常有用。

与此同时，传统半导体通常是刚性的。半导体硅有潜力启用莱恩所描述的柔性电子产品以及多种颜色的硅。

在分子层面上，硅由交替的硅和氧原子（Si — O — Si）骨架构成，并附有有机（基于碳）基团。随着聚合物链相互连接，形成各种三维结构，称为交联，这改变了材料的物理特性，如强度或溶解度。

在研究不同的硅交联结构时，研究团队偶然发现了一种共聚物中电导率的潜力，这是一种包含两种不同类型重复单元的聚合物链——在这种情况下是笼状结构和线性硅。

导电性的可能性来源于电子如何在Si — O — Si键之间移动，其轨道重叠。半导体有两种主要状态：基态，不导电，和导电状态，导电。导电状态也称为激发态，当一些电子跳跃到下一个电子轨道时，就会发生这种情况，这种状态在材料内部连接就像金属一样。

通常，Si — O — Si键角并不允许这种连接。在110°的情况下，它们离180°的直线还有很远。但在研究团队发现的硅共聚物中，这些键在基态下起始于140°——而在激发态下伸展至150°。这足以为电荷流动创造一条高速公路。

“这使得电子在这些共聚物中的多个键之间，包括Si — O — Si键之间发生意外的相互作用，”莱恩说。“链条越长，电子能更容易地旅行更长的距离，从而减少吸收光所需的能量，然后以较低的能量发射光。”

硅共聚物的半导体特性也使其具有多种颜色的光谱。电子通过吸收和发射光子或光粒子在基态和激发态之间跳跃。光的发射取决于共聚物链的长度，莱恩的团队可以控制这一点。较长的链长度意味着较小的跳跃和较低能量的光子，使硅呈现红色。较短的链需要电子从中进行更大的跳跃，因此它们向光谱的蓝色端发出更高能量的光。

为了证明链长度与光吸收和发射之间的关系，研究人员将不同链长度的共聚物分开，并按照从长到短的顺序排列在试管中。在试管上照射紫外线光，产生完整的彩虹，因为每个试管以不同的能量吸收和发射光。

基于共聚物链长度的多彩排列特别独特，因为到目前为止，硅仅被认为是透明或白色，因为它们的绝缘特性使它们无法吸收太多光。

“我们正在将一种被大家认为是电惰性的材料赋予新的生命——一种能够为下一代柔软、灵活的电子设备供电的生命，”密歇根大学材料科学与工程的博士生及研究的首席作者张子靖（杰基）说。

这项研究得到了美国国家科学基金会（2103628）和泰国国家科学、研究与创新基金（NSRF）的资助，后者通过人力资源与机构发展、研究与创新项目管理单位（B16F640099）进行资助。