سیلیکون از نو متولد شد/ نیمههادی انعطافپذیر در راه است
دانشمندان دانشگاه میشیگان موفق به کشف قابلیتی شگفتانگیز در نوعی از سیلیکون شدند که میتواند رفتار یک نیمههادی را از خود نشان دهد؛ کشفی که میتواند دیدگاههای قدیمی در مورد ماهیت عایق بودن سیلیکونها را تغییر دهد.
این پژوهش که در مجله Macromolecular Rapid Communications منتشر شده، نشان میدهد با تغییر زاویه بین اتمهای سیلیسیم و اکسیژن، راهی برای جریان یافتن بار الکتریکی در این ماده باز میشود.
کاربردهای نوآورانه برای نسل آینده فناوریهای نرم و انعطافپذیر
به گفته ریچارد لین، استاد مهندسی علم مواد و علوم ماکرومولکولی دانشگاه میشیگان و نویسنده مسئول این مطالعه، این ماده جدید میتواند دریچهای به سوی فناوریهایی نوین، چون نمایشگرهای مسطح جدید، سلولهای خورشیدی انعطافپذیر، حسگرهای پوشیدنی و حتی لباسهایی باز کند که قابلیت نمایش الگوها و تصاویر مختلف را دارند.
به گزارش scitechdaily سیلیکونهای رایج که با نامهای پلیسیلوکسانها و سیلسسکیوکسانها شناخته میشوند، سالهاست به دلیل خاصیت عایق بودن در برابر جریان الکتریسیته و حرارت مورد استفاده قرار گرفتهاند. این مواد به دلیل مقاومت در برابر نفوذ آب، گزینهای مناسب برای ابزارهای پزشکی، درزگیرها، پوششهای الکترونیکی و دیگر کاربردهای مشابه هستند. در مقابل، نیمههادیهای سنتی معمولاً مواد سخت و شکنندهای هستند. اما سیلیکون نیمههادی میتواند امکان ساخت دستگاههای الکترونیکی انعطافپذیر را فراهم کند، آنهم در رنگهایی متنوع.
ساختار مولکولی و کشف رسانایی الکتریکی
در سطح مولکولی، ساختار سیلیکونها از زنجیرهای متشکل از اتمهای متناوب سیلیسیم و اکسیژن (Si—O—Si) به همراه گروههای آلی متصل به اتمهای سیلیسیم تشکیل شده است. این زنجیرهها با یکدیگر پیوند خورده و ساختارهای سهبعدی متنوعی به وجود میآورند که به آنها «شبکههای پلیمری» یا «کراسلینک» گفته میشود و میتوانند خواصی، چون استحکام و حلالیت را تغییر دهند.
در جریان بررسی همین ساختارهای کراسلینک بود که تیم تحقیقاتی متوجه قابلیت بالقوه برای رسانایی الکتریکی در یک کوپلیمر (پلیمر حاوی دو نوع واحد تکرارشونده متفاوت) شدند. این کوپلیمر از ترکیبی از ساختارهای قفسمانند و زنجیرهای سیلیکون تشکیل شده است.
رسانایی الکتریکی از طریق امکان حرکت الکترونها بین پیوندهای Si—O—Si و اوربیتالهای همپوشان پدید میآید. در شرایط عادی، زاویه این پیوندها در حدود ۱۱۰ درجه است که اجازه چنین اتصالی را نمیدهد. اما در این کوپلیمر خاص، زاویه پیوندها در حالت پایه (ground state) به ۱۴۰ درجه میرسد و در حالت برانگیخته (excited state) به ۱۵۰ درجه افزایش مییابد. این تغییر زاویه کافی است تا مسیرهایی برای حرکت الکترونها باز شود.
لین در توضیح این پدیده میگوید: «این ساختار اجازه تعامل غیرمنتظرهای بین الکترونها از طریق چندین پیوند از جمله پیوندهای Si—O—Si را فراهم میکند. هرچه طول زنجیره بلندتر باشد، حرکت الکترون در فواصل طولانی آسانتر میشود و انرژی مورد نیاز برای جذب و سپس نشر نور کاهش مییابد.»
کنترل طیف رنگی با طول زنجیره پلیمر
یکی از ویژگیهای منحصربهفرد کوپلیمر نیمههادی سیلیکونی، قابلیت تنظیم طیف رنگی آن است. پرش الکترونها بین حالت پایه و برانگیخته با جذب و انتشار فوتون (ذرات نور) همراه است. رنگ ساطعشده به طول زنجیره کوپلیمر بستگی دارد: زنجیرههای بلندتر باعث پرشهای کوچکتر و در نتیجه نشر نور با انرژی کمتر و طیف قرمز میشوند؛ درحالیکه زنجیرههای کوتاهتر نور با انرژی بالاتر و طیف آبی منتشر میکنند.
برای اثبات این پدیده، پژوهشگران زنجیرههای با طولهای متفاوت را در لولههای آزمایش جدا کرده و با نور فرابنفش آنها را تاباندند. نتیجه، طیفی از رنگها از قرمز تا آبی بود که بهطور مستقیم با طول زنجیره ارتباط دارد.
این ویژگی، یعنی نمایش رنگ در مادهای که پیشتر تنها به صورت بیرنگ یا سفید شناخته میشد، یکی از مهمترین نتایج این تحقیق محسوب میشود. چرا که خواص عایقی سیلیکونهای سنتی، جذب نور را در آنها به حداقل میرساند و از نمایش رنگ جلوگیری میکرد.
احیای مادهای خاموش
به گفته «ژیجینگ (جکی) ژانگ»، دانشجوی دکترای مهندسی مواد در دانشگاه میشیگان و نویسنده اصلی این پژوهش، «ما در حال جانبخشی دوباره به مادهای هستیم که همه آن را غیررسانا میدانستند—جانبخشیای که میتواند نیروی محرکه نسل بعدی الکترونیکهای نرم و انعطافپذیر باشد.»
این کشف نه تنها افقهای تازهای را در طراحی دستگاههای الکترونیکی باز میکند، بلکه مفاهیم بنیادی در مورد رفتار سیلیکون و مواد پلیمری را نیز به چالش میکشد.
انتهای پیام/
