צוות חוקרים מאוניברסיטת מישיגן גילה קו-פולימר סיליקון חדש שיכול להוליך חשמל ולפלוט אור – פריצת דרך שעשויה להוביל לאלקטרוניקה גמישה, תאים סולריים לבישים וצגים צבעוניים דקים במיוחד
תגלית פורצת דרך מהאוניברסיטה של מישיגן גילתה שצורה חדשה של סיליקון יכולה לפעול כמוליך למחצה. הממצא הזה מאתגר את הסבָרה הוותיקה שסיליקונים הם רק חומרים מבודדים.
"החומר פותח אפשרויות חדשות לסוגים חדשים של מסכים דקים, תאים סולריים גמישים, חיישנים לבישים או אפילו בגדים שיכולים להציג תבניות או תמונות שונות", אמר ריצ'רד ליין, פרופסור למדעי והנדסת חומרים ומחבר מכותב של המאמר.
עשרות שנים משתמשים בשמני סיליקון וגומי סיליקון כי הם מתנגדים לזרימת חשמל וחום. בגלל תכונות האטימות למים שלהם הם אידיאליים למכשירים ביו-רפואיים, חומרי איטום, ציפויים אלקטרוניים ועוד.
מוליכים למחצה רגילים בדרך כלל קשיחים. לסיליקון מוליך למחצה יש פוטנציאל לאפשר את האלקטרוניקה הגמישה שליין תיאר וגם סיליקון במגוון של צבעים.
המבנה המולקולרי ותגלית המוליכות
ברמה המולקולרית, סיליקונים מורכבים משידרה של אטומי סיליקון וחמצן לסירוגין (Si‑O‑Si) עם קבוצות אורגניות (מבוססות פחמן) שקשורות לסיליקון. תצורות תלת מימדיות שונות של שרשראות פולימריות מופיעות כשהן מתחברות ביניהן, מה שמכונה הצלבה, וזה משנה את התכונות הפיזיקליות של החומר כמו חוזק או מסיסות.
כשהם חקרו מבנים מוצלבים שונים בסיליקון, צוות המחקר נתקל בפוטנציאל למוליכות חשמלית בקופולימר, שהוא שרשרת פולימרית המכילה שני סוגים שונים של יחידות נשנות – פולימרים במבנה כלוב ואז פולימרים ליניאריים במקרה הזה.
האפשרות למוליכות נובעת מהאופן שבו אלקטרונים יכולים לנוע על פני קשרי Si‑O‑Si עם אורביטלים חופפים. למוליכים למחצה יש שני מצבים עיקריים: מצב יסוד, שלא מוליך חשמל, ומצב מוליך שכן מוליך. המצב המוליך, הנקרא גם מַצָּב מְעוֹרָר, מתרחש כשחלק מהאלקטרונים קופצים אל אורביטל האלקטרונים הבא, שמחובר על פני החומר כמו מתכת.
בדרך כלל, הזוויות של קשרי ה‑Si‑O‑Si לא מאפשרות את החיבור הזה. ב-110°, הן רחוקות מקו ישר של 180°. אבל בקופולימר הסיליקון שהצוות גילה, הקשרים האלה התחילו ב-140° במצב היסוד – ומשתרעים עד ל-150° במצב המעורר. זה הספיק כדי ליצור דרך לזרימה של מטען חשמלי.
"זה מאפשר אינטראקציה בלתי צפויה בין אלקטרונים על פני קשרים מרובים כולל קשרי Si‑O‑Si בקופולימרים האלה", אמר ליין. "ככל שהשרשרת ארוכה יותר, קל יותר לאלקטרונים לנוע מרחקים ארוכים יותר, ולהפחית את האנרגיה הנחוצה כדי לבלוע אור ולאחר מכן לפלוט אותו באנרגיות נמוכות יותר".
תכונות המוליכות למחצה של קופולימרי הסיליקון מאפשרים גם את קשת הצבעים. אלקטרונים קופצים בין מצב היסוד והמצב המעורר על ידי בליעת ופליטת פוטונים, או חלקיקי אור. פליטת האור תלויה באורך של שרשרת הקופולימר, שהצוות של ליין יכול לשלוט בו. שרשראות ארוכות יותר פירושו קפיצות קטנות יותר ופוטונים עם פחות אנרגיה, מקנים לסיליקון גון אדום. שרשראות קצרות יותר מצריכות קפיצות גדולות יותר של האלקטרונים, כך שהן פולטות אור עם יותר אנרגיה לכיוון הקצה הכחול של הקשת.
