Eine neu entdeckte Silikonvariante ist ein Halbleiter, wie Forscher der University of Michigan herausgefunden haben, und widerlegt damit die Annahme, dass diese Materialklasse ausschließlich isolierend ist. „Das Material eröffnet die Möglichkeit für neue Arten von Flachbildschirmen, flexibler Photovoltaik, tragbaren Sensoren oder sogar Kleidung, die verschiedene Muster oder Bilder anzeigen kann“, sagte Richard Laine, U-M-Professor für Materialwissenschaft und -technik und Makromolekulare Wissenschaft und Technik und korrespondierender Autor der Studie.
Silikon für biegsame Elektronik
Silikonöle und -kautschuke – Polysiloxane und Silsesquioxane – sind traditionell isolierende Materialien, das heißt sie widerstehen dem Fluss von Elektrizität oder Wärme. Aufgrund ihrer wasserbeständigen Eigenschaften werden sie in biomedizinischen Geräten, Dichtungsmitteln, elektronischen Beschichtungen und vielem mehr eingesetzt. Herkömmliche Halbleiter sind dagegen in der Regel starr. Halbleitendes Silikon hat das Potenzial, die von Laine beschriebene biegsame Elektronik sowie Silikon in einer Vielzahl von Farben zu ermöglichen.
Auf molekularer Ebene bestehen Silikone aus einem Grundgerüst aus alternierenden Silizium- und Sauerstoffatomen (Si-O-Si) mit organischen (kohlenstoffbasierten) Gruppen, die an das Silizium gebunden sind. Bei der Verbindung der Polymerketten untereinander entstehen verschiedene 3D-Formationen, die als Vernetzung bezeichnet werden und die physikalischen Eigenschaften des Materials wie Festigkeit oder Löslichkeit verändern.
Leitfähiges Silikon macht neue Anwendungen möglich
Bei der Untersuchung verschiedener Vernetzungsstrukturen in Silikonen stieß das Forscherteam auf das Potenzial für elektrische Leitfähigkeit in einem Copolymer, das heißt einer Polymerkette, die zwei verschiedene Arten von sich wiederholenden Einheiten enthält – in diesem Fall Silikone mit Käfigstruktur und anschließend lineare Silikone.
Die Möglichkeit zur Leitfähigkeit ergibt sich aus der Art und Weise, wie sich Elektronen über Si-O-Si-Bindungen mit überlappenden Orbitalen bewegen können. Halbleiter haben zwei Hauptzustände: den Grundzustand, der keinen Strom leitet, und einen leitenden Zustand, der Strom leitet. Der leitende Zustand, der auch als angeregter Zustand bezeichnet wird, tritt ein, wenn einige Elektronen in das nächste Elektronenorbital springen, das wie bei einem Metall über das Material hinweg verbunden ist.
Normalerweise lassen die Bindungswinkel von Si-O-Si diese Verbindung nicht zu. Mit 110 Grad sind sie weit von einer geraden 180-Grad-Linie entfernt. Aber in dem Silikon-Copolymer, das das Team entdeckte, hatten diese Bindungen im Grundzustand einen Winkel von 140 Grad - und im angeregten Zustand dehnen sie sich auf 150 Grad aus. Dies reichte aus, um eine Autobahn für den Fluss elektrischer Ladung zu schaffen. „Dies ermöglicht eine unerwartete Wechselwirkung zwischen Elektronen über mehrere Bindungen hinweg, einschließlich Si-O-Si-Bindungen in diesen Copolymeren“, so Laine. „Je länger die Kette ist, desto leichter können die Elektronen größere Entfernungen zurücklegen, was die Energie reduziert, die benötigt wird, um Licht zu absorbieren und dann mit geringerer Energie zu emittieren.“
Die halbleitenden Eigenschaften der Silikon-Copolymere ermöglichen auch ihr Farbspektrum. Elektronen springen zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand, indem sie Photonen oder Lichtteilchen absorbieren und emittieren. Die Lichtemission hängt von der Länge der Copolymerkette ab, die das Team von Laine steuern kann. Längere Kettenlängen bedeuten kleinere Sprünge und Photonen mit geringerer Energie, was dem Silikon eine rote Färbung verleiht. Kürzere Ketten erfordern größere Sprünge der Elektronen, so dass sie Licht mit höherer Energie in Richtung des blauen Endes des Spektrums emittieren.
UV-Licht bringt Farbe in die Silikonwelt
Um den Zusammenhang zwischen Kettenlänge und Lichtabsorption und -emission zu demonstrieren, trennten die Forscher Copolymere mit unterschiedlichen Kettenlängen und ordneten sie in Reagenzgläsern von lang nach kurz an. Werden die Röhrchen mit UV-Licht bestrahlt, entsteht ein kompletter Regenbogen, da jedes einzelne das Licht mit unterschiedlicher Energie absorbiert und emittiert.
Die farbenfrohe Anordnung auf der Grundlage der Kettenlänge der Copolymere ist besonders einzigartig, da Silikone bisher nur als transparent oder weiß bekannt waren, da sie aufgrund ihrer isolierenden Eigenschaften nicht viel Licht absorbieren können.
„Wir nehmen ein Material, von dem alle dachten, es sei elektrisch träge, und geben ihm ein neues Leben – eines, das die nächste Generation weicher, flexibler Elektronik antreiben könnte“, sagte Zijing (Jackie) Zhang, U-M-Doktorandin der Materialwissenschaft und -technik und Hauptautorin der Studie.
