Suatu Aturan-Silikon Berwarna-warni yang Melanggar dan Dapat Menghantarkan Listrik

Varian silikon yang baru ditemukan adalah semikonduktor, peneliti Universitas Michigan telah menemukan-asumsi yang membalikkan bahwa kelas material hanya bersifat isolasi.

"Bahan ini membuka peluang untuk jenis layar panel datar baru, fotovoltaik fleksibel, sensor yang dapat dikenakan, atau bahkan pakaian yang dapat menampilkan pola atau gambar berbeda," kata Richard Laine, profesor sains dan teknik material U-M serta sains dan teknik makromolekuler dan penulis studi yang baru-baru ini diterbitkan di Macromolecular Rapid Communications.

Minyak dan karet silikon-polisiloksana dan silsesquioksan-secara tradisional merupakan bahan isolasi, artinya bahan tersebut menolak aliran listrik atau panas. Sifatnya yang tahan air-membuatnya berguna dalam perangkat biomedis, pelapis, pelapis elektronik, dan banyak lagi.

Sementara itu, semikonduktor konvensional biasanya bersifat kaku. Silikon semikonduktor memiliki potensi untuk memungkinkan elektronik fleksibel yang dijelaskan Laine serta silikon yang tersedia dalam berbagai warna.

Pada tingkat molekuler, silikon terdiri dari tulang punggung atom silikon dan oksigen (Si-O-Si) yang berselang-seling dengan gugus organik (berbasis karbon-) yang melekat pada silikon. Berbagai formasi 3D rantai polimer muncul saat mereka terhubung satu sama lain, yang dikenal sebagai ikatan silang, yang mengubah sifat fisik material seperti kekuatan atau kelarutan.

Saat mempelajari berbagai-struktur ikatan silang dalam silikon, tim peneliti menemukan potensi konduktivitas listrik dalam kopolimer, yang merupakan rantai polimer yang mengandung dua jenis unit berulang-kandang-berstruktur dan kemudian silikon linier dalam kasus ini.

Kemungkinan konduktivitas muncul dari cara elektron bergerak melintasi ikatan Si-O-Si dengan orbital yang tumpang tindih. Semikonduktor mempunyai dua keadaan utama: keadaan dasar, yang tidak menghantarkan listrik, dan keadaan menghantarkan, yang menghantarkan listrik. Keadaan konduksi, juga dikenal sebagai keadaan tereksitasi, terjadi ketika beberapa elektron melompat ke orbital elektron berikutnya, yang terhubung melintasi material seperti logam.

Biasanya, sudut ikatan Si-O-Si tidak memungkinkan terjadinya hubungan tersebut. Pada 110 derajat, mereka jauh dari garis lurus 180 derajat. Namun dalam kopolimer silikon yang ditemukan tim, ikatan ini dimulai pada 140 derajat dalam keadaan dasar-dan meregang hingga 150 derajat dalam keadaan tereksitasi. Ini cukup untuk membuat jalan raya agar muatan listrik dapat mengalir.

"Hal ini memungkinkan interaksi tak terduga antara elektron pada banyak ikatan termasuk ikatan Si-O-Si dalam kopolimer ini," kata Laine. “Semakin panjang rantainya, semakin mudah bagi elektron untuk menempuh jarak yang lebih jauh, sehingga mengurangi energi yang dibutuhkan untuk menyerap cahaya dan kemudian memancarkannya pada energi yang lebih rendah.”

Sifat semikonduktor dari kopolimer silikon juga memungkinkan spektrum warnanya. Elektron melompat antara keadaan dasar dan keadaan tereksitasi dengan menyerap dan memancarkan foton, atau partikel cahaya. Emisi cahaya bergantung pada panjang rantai kopolimer yang dapat dikendalikan oleh tim Laine. Panjang rantai yang lebih panjang berarti lompatan yang lebih kecil dan foton energi yang lebih rendah, sehingga memberikan warna merah pada silikon. Rantai yang lebih pendek memerlukan lompatan elektron yang lebih besar, sehingga elektron memancarkan cahaya berenergi lebih tinggi ke arah ujung biru spektrum.

Untuk menunjukkan hubungan antara panjang rantai dan penyerapan serta emisi cahaya, para peneliti memisahkan kopolimer dengan panjang rantai berbeda dan menyusunnya dalam tabung reaksi dari yang panjang hingga yang pendek. Menyinari tabung dengan sinar UV menciptakan pelangi penuh karena masing-masing tabung menyerap dan memancarkan cahaya dengan energi berbeda.

Susunan warna-warni berdasarkan panjang rantai kopolimer sangat unik karena hingga saat ini, silikon hanya diketahui transparan atau putih karena sifat isolasinya membuat silikon tidak mampu menyerap banyak cahaya.

"Kami mengambil bahan yang semua orang anggap tidak aktif secara listrik dan memberinya kehidupan baru-bahan yang dapat memberi daya pada elektronik lunak dan fleksibel generasi berikutnya," kata Zijing (Jackie) Zhang, mahasiswa doktoral U-M ilmu dan teknik material dan penulis utama studi ini.