一种曾被认为仅仅是绝缘体的材料，通过改变硅氧原子键角，为电荷流动开辟了通道。

密歇根大学的一项突破性发现揭示，一种新型有机硅可以充当半导体。这一发现挑战了长期以来认为有机硅只是绝缘材料的观念。

“这种材料为新型平板显示器、柔性光伏器件、可穿戴传感器，甚至是能显示不同图案或图像的服装开辟了机会，”密歇根大学材料科学与工程及高分子科学与工程教授、该研究通讯作者理查德·莱恩（Richard Laine）说道。该研究最近发表在《大分子快讯》杂志上。

被称为聚硅氧烷和倍半硅氧烷的有机硅油和橡胶，因其能阻止电流和热量的流动而数十年来被广泛应用。其防水特性使其成为生物医学设备、密封剂、电子涂层等的理想选择。

与此同时，传统半导体通常是刚性的。半导体有机硅有潜力实现莱恩所描述的柔性电子设备，以及具有多种颜色的有机硅材料。

分子结构与导电性的发现

在分子层面，有机硅由交替的硅和氧原子（Si—O—Si）构成的主链组成，硅原子上连接着有机（碳基）基团。当聚合物链相互连接（称为交联）时，会形成各种三维结构，从而改变材料的物理性质，如强度或溶解度。

在研究有机硅中不同的交联结构时，研究团队偶然发现了一种共聚物具有导电潜力。共聚物是一种包含两种不同类型重复单元的聚合物链 —— 在此案例中，是笼形结构有机硅和线性有机硅。

导电的可能性源于电子能够通过具有轨道重叠的Si—O—Si键进行迁移的方式。半导体有两种主要状态：不导电的基态和导电的激发态。当一些电子跃迁到下一个电子轨道时，就达到了导电状态（也称为激发态），该轨道像金属一样在整个材料中相互连接。

通常情况下，Si—O—Si键角不允许这种连接。它们在110°时，远非180°的直线。但在团队发现的这种有机硅共聚物中，这些键在基态时起始角度为140°，在激发态时则拉伸到150°。这足以形成一条电荷流动的“高速公路”。

“这允许电子通过这些共聚物中的多个键（包括Si—O—Si键）之间产生意想不到的相互作用，”莱恩说。“链越长，电子传输距离越远就越容易，从而降低了吸收光所需的能量，并以更低的能量将其发射出来。”

光谱与链长控制

这种有机硅共聚物的半导体特性也使其能够呈现多种颜色。电子通过吸收和发射光子（即光粒子）在基态和激发态之间跃迁。光的发射取决于共聚物链的长度，莱恩的团队能够对此进行控制。链长越长意味着电子跃迁幅度越小，发射的光子能量越低，从而使有机硅呈现红色调。链越短则要求电子跃迁幅度越大，因此它们发射出光谱中偏向蓝色端的高能量光。

为了展示链长与光吸收和发射之间的关系，研究人员分离出具有不同链长的共聚物，并将其按从长到短的顺序排列在试管中。当用紫外光照射这些试管时，由于每种共聚物在不同能量下吸收并发射光线，便形成了完整的彩虹。

这种基于共聚物链长的彩色阵列尤为独特，因为在此之前，人们只知道有机硅是透明或白色的，因为其绝缘特性使其无法吸收大量光。

“我们正在赋予一种被所有人认为具有‘电惰性’的材料以新的生命 —— 一种能够驱动下一代柔软、柔性电子设备的生命，”该研究的第一作者、密歇根大学材料科学与工程博士生张晶晶（音译）说道。

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