有机硅是硅胶原料之一,长期作为电子产品绝缘材料,想当然与半导体材料不能混为一谈。但最近密西根大学团队突破性研究表明,一种新形式有机硅颠覆该类型材料完全绝缘的常年认知,竟可作为导电半导体。
硅氧树脂(silicone、polysiloxane)、倍半硅氧烷(silsesquioxane)等有机硅化合物基本结构由交替的硅、氧原子(Si-O-Si)组成主链,侧链通过硅原子与其他各种有机基团相连,根据所含有机基团和硅的排布能产生多种结构,并产生各种独特性质如:耐高温、抗氧化、弹性、拒水性、电绝缘性等。
数十年来,有机硅已广泛应用于各种工业技术与产品,包括电子绝缘材料、密封剂、医学植入物等,常见形式有液态硅油、柔软有弹性的硅凝胶、硅橡胶、刚性硅树脂。
但“有机硅(silicone)”与“硅(silicon)”是两回事,两者具完全不同物理性质,有机硅在电子产品作为密封、保护敏感电路、半导体组件不受热量损坏的绝缘材料,半导体材料的则是高纯度单质硅;简单来说,科学家不会把有机硅拿来作为半导体。
但当密西根大学团队在研究有机硅不同交连接构时,偶然发现一种共聚物(包含两种不同类型重复单元的聚合物链)的导电潜力。
一般来讲,构成有机硅的硅-氧-硅(Si-O-Si)键本身高度绝缘,由于Si-O-Si键的键角约110°,离180° 直线很远,因此并不适合形成有效导电路径,电子不易在这种结构内自由移动。若想提升导电性,研究人员通常会掺杂导电材料如:导电聚合物、纳米碳管、石墨烯、金属纳米粒子,这些掺杂物能在Si-O-Si链之间形成导电信道。
然而,研究团队新发现一种有机硅共聚物,其Si-O-Si键处于基态时键角为140°,进入激发态会伸展至150°,为电子提供如快速道路的移动信道,从而提高电导率。
除了提升导电性,新材料还能呈现多种颜色。当材料具半导体特性,能带结构与电子态分布可决定材料吸收光的波长范围,从而显现不同颜色,而新型有机硅共聚物的半导体特性使它能在不同条件下表现出多种颜色,具体取决于共聚物链长度。
团队表示,这种新型有机硅半导体𫍦能为柔性电子设备打开多彩应用大门。
(首图来源:密西根大学)