半導體，迎來新替代者

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來源：內容來自scitechdaily，謝謝。

矽和氧原子之間曾經被認為僅僅是絕緣體，但矽和氧原子之間角度的變化卻為電荷的流動打開了通道。

密歇根大學的一項突破性發現表明，一種新型矽樹脂可以充當半導體。這一發現挑戰了長期以來矽樹脂僅僅是絕緣材料的觀念。

“這種材料為新型平板顯示器、柔性光伏電池、可穿戴感測器，甚至能夠顯示不同圖案或影像的服裝開闢了機會，”密歇根大學材料科學與工程和大分子科學與工程教授、最近在《大分子快速通訊》上發表的研究的通訊作者理查德·萊恩說。

矽油和矽橡膠，又稱聚矽氧烷和倍半矽氧烷，幾十年來因其耐電流和熱傳導的特性而被廣泛應用。其防水特性使其成為生物醫學裝置、密封劑、電子塗層等的理想選擇。

與此同時，傳統半導體通常呈剛性。半導體矽樹脂則有潛力實現萊恩所描述的柔性電子產品，並且還能呈現出多種顏色。

分子結構和電導率的發現

從分子層面來看，有機矽是由交替排列的矽原子和氧原子（Si—O—Si）組成的骨架，並在矽原子上附著有機（碳基）基團。當聚合物鏈相互連線（即交聯）時，會形成各種三維結構，從而改變材料的強度或溶解度等物理性質。

在研究有機矽的不同交聯結構時，研究小組偶然發現了共聚物的導電潛力，共聚物是一種含有兩種不同型別重複單元的聚合物鏈——在本例中是籠狀結構有機矽和線性有機矽。

導電性的可能性源於電子能夠穿過軌道重疊的Si—O—Si鍵的方式。半導體主要有兩種狀態：不導電的基態和導電的導電態。導電態，也稱為激發態，發生在一些電子躍遷到下一個電子軌道時，該軌道與材料（例如金屬）相連。

通常情況下，Si—O—Si鍵角無法實現這種連線。110°的鍵角距離180°的直線相去甚遠。但該團隊發現，在矽酮共聚物中，這些鍵在基態時起始於140°，而在激發態時延伸至150°。這足以為電荷流動創造一條通道。

“這使得這些共聚物中包括Si—O—Si鍵在內的多個鍵之間的電子之間發生了意想不到的相互作用，”萊恩說。“鏈越長，電子就越容易行進更長的距離，從而減少了吸收光並以較低能量發射光所需的能量。”

色譜和鏈長控制

矽酮共聚物的半導體特性也使其擁有豐富的色彩光譜。電子透過吸收和發射光子（光粒子）在基態和激發態之間躍遷。光的發射取決於共聚物鏈的長度，而萊恩的團隊可以控制鏈的長度。鏈越長，躍遷越小，光子能量也越低，從而使矽酮呈現紅色。鏈越短，電子躍遷所需的能量就越大，因此它們會發射出能量更高的藍光，偏向光譜的藍色端。

為了證明鏈長與光吸收和發射之間的聯絡，研究人員分離了不同鏈長的共聚物，並將它們從長到短排列在試管中。用紫外線照射試管，由於每個試管吸收和發射的光能量不同，因此形成了完整的彩虹。

基於共聚物鏈長的彩色陣列尤其獨特，因為到目前為止，矽酮只被認為是透明或白色的，因為它們的絕緣特性使它們無法吸收太多的光。

“我們採用了一種大家都認為是電惰性的材料，並賦予它新的生命——這種材料可以為下一代柔軟、靈活的電子產品提供動力，”密歇根大學材料科學與工程博士生、該研究的主要作者張子靜（Jackie）說。

參考文獻：Zijing Zhang、Cecilia Pilon、Hana Kaehr、Pimjai Pimbaotham、Siriporn Jungsuttiwong 和 Richard M. Laine 合著的《Si─O─Si 鍵上的 σ–σ* 共軛》，2025 年 3 月 12 日，《大分子快速通訊》。DOI：10.1002/marc.202500081

參考連結

https://scitechdaily.com/new-material-breaks-the-rules-scientists-turn-insulator-into-a-semiconductor/

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