Vật liệu mới biến chất cách điện thành chất bán dẫn

Một khám phá mới từ Đại học Michigan cho biết, một dạng silicon mới có thể hoạt động như một chất bán dẫn. Vật liệu này mở ra cơ hội cho các loại màn hình phẳng, quang điện linh hoạt, cảm biến đeo được, thậm chí là quần áo có thể hiển thị các kiểu mẫu hoặc hình ảnh khác nhau.

Dầu silicon và cao su, được gọi là polysiloxanes và silsesquioxanes, được sử dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ vì chúng chống lại dòng điện và nhiệt. Tính chống thấm nước của chúng làm cho chúng thích hợp cho các thiết bị y sinh, chất trám, lớp phủ điện tử,…

Ở cấp độ phân tử, silicon được tạo thành từ chuỗi các nguyên tử silicon và oxy xen kẽ (Si–O–Si) với các nhóm hữu cơ (gốc carbon) gắn vào silicon. Nhiều dạng chuỗi polyme 3D khác nhau phát sinh khi chúng liên kết nhau, gọi là liên kết chéo, làm thay đổi tính chất vật lý của vật liệu như độ bền, độ hòa tan.

Trong khi nghiên cứu các cấu trúc liên kết chéo khác nhau trong silicon, nhóm nghiên cứu tình cờ phát hiện ra tiềm năng dẫn điện trong một co-polymer, đây là một chuỗi polymer chứa hai loại đơn vị lặp lại khác nhau, trong trường hợp này là silicon có cấu trúc lồng và sau đó là silicon tuyến tính.

Khả năng dẫn điện phát sinh từ cách electron di chuyển qua liên kết Si–O–Si với các quỹ đạo chồng chéo. Chất bán dẫn có hai trạng thái chính: trạng thái cơ bản, không dẫn điện và trạng thái dẫn điện, có dẫn điện. Trạng thái dẫn điện, còn gọi là trạng thái kích thích, xảy ra khi một số electron nhảy qua quỹ đạo electron tiếp theo, được kết nối qua vật liệu giống như kim loại.

Thông thường, góc liên kết Si–O–Si không cho phép kết nối đó. Ở 110⁰, chúng cách xa đường thẳng 180⁰. Nhưng trong silicon co-polymer mà nhóm nghiên cứu phát hiện, các liên kết này bắt đầu ở 140⁰ ở trạng thái cơ bản và chúng kéo dài đến 150⁰ ở trạng thái kích thích. Điều này đủ để tạo ra đường dẫn lớn cho điện tích chạy qua.

Điều này cho phép tương tác bất ngờ giữa các electron trên nhiều liên kết, bao gồm liên kết Si–O–Si trong các co-polymer này. Chiều dài chuỗi càng dài, các electron càng dễ di chuyển quãng đường dài hơn, giảm năng lượng cần thiết để hấp thụ ánh sáng và sau đó phát ra năng lượng ở mức thấp hơn.

Tính chất bán dẫn của silicon co-polymer cũng tạo nên quang phổ màu của nó. Electron nhảy giữa trạng thái cơ bản và trạng thái kích thích bằng cách hấp thụ và phát ra các photon. Sự phát xạ ánh sáng phụ thuộc độ dài của chuỗi co-polymer. Chuỗi dài hơn có nghĩa là electron có bước nhảy nhỏ hơn và photon có năng lượng thấp hơn, tạo cho silicon có màu đỏ. Chuỗi ngắn hơn đòi hỏi electron có bước nhảy lớn hơn, do đó chúng phát ra ánh sáng có năng lượng cao hơn về phía đầu màu xanh của quang phổ.

Để chứng minh mối liên hệ giữa chiều dài chuỗi với sự hấp thụ và phát xạ ánh sáng, các nhà nghiên cứu tách các co-polymer có chiều dài chuỗi khác nhau, sắp xếp chúng trong các ống nghiệm từ dài đến ngắn. Chiếu đèn UV vào các ống sẽ tạo ra cầu vồng đầy đủ khi mỗi ống hấp thụ và phát ra ánh sáng ở các năng lượng khác nhau.

Mảng màu dựa trên chiều dài chuỗi co-polymer đặc biệt độc đáo vì cho đến thời điểm này, silicon chỉ được biết đến là trong suốt hoặc có màu trắng vì tính chất cách điện của chúng, khiến chúng không thể hấp thụ nhiều ánh sáng.

Nghiên cứu này được công bố gần đây trên Macromolecular Rapid Communications.