Rheol-Torri Silicôn Lliwgar a Allai Dargludo Trydan

Mae amrywiad silicon sydd newydd ei ddarganfod yn lled-ddargludydd, mae ymchwilwyr o Brifysgol Michigan wedi darganfod-dybiaethau parhaus bod y dosbarth deunydd yn insiwleiddio yn unig.

"Mae'r deunydd yn agor y cyfle ar gyfer mathau newydd o arddangosiadau panel fflat, ffotofoltäig hyblyg, synwyryddion gwisgadwy neu hyd yn oed ddillad a all arddangos patrymau neu ddelweddau gwahanol," meddai Richard Laine, U{0}}M athro gwyddor deunyddiau a pheirianneg a gwyddoniaeth a pheirianneg macromoleciwlaidd ac awdur cyfatebol yr astudiaeth a gyhoeddwyd yn ddiweddar yn Macromolecular Rapid Communications.

Mae olewau a rwberau silicon-polysiloxanes a silsesquioxanes-yn ddeunyddiau inswleiddio traddodiadol, sy'n golygu eu bod yn gwrthsefyll llif trydan neu wres. Mae eu priodweddau sy'n gallu gwrthsefyll dŵr yn eu gwneud yn ddefnyddiol mewn dyfeisiau biofeddygol, selio, haenau electronig a mwy.

Yn y cyfamser, mae lled-ddargludyddion confensiynol fel arfer yn anhyblyg. Mae gan silicon lled-ddargludol y potensial i alluogi'r Laine electroneg hyblyg a ddisgrifir yn ogystal â silicon sy'n dod mewn amrywiaeth o liwiau.

Ar lefel foleciwlaidd, mae siliconau yn cynnwys asgwrn cefn o atomau silicon ac ocsigen bob yn ail (Si-O-Si) gyda grwpiau organig (yn seiliedig ar garbon) ynghlwm wrth y silicon. Mae gwahanol ffurfiannau 3D o gadwyni polymer yn codi wrth iddynt gysylltu â'i gilydd, a elwir yn groesgysylltu, sy'n newid priodweddau ffisegol y deunydd megis cryfder neu hydoddedd.

Wrth astudio gwahanol strwythurau croesgysylltu mewn silicon, daeth y tîm ymchwil ar draws y potensial ar gyfer dargludedd trydanol mewn copolymer, sef cadwyn bolymer sy'n cynnwys dau fath gwahanol o unedau ailadrodd-cawell-siliconau strwythuredig ac yna llinol yn yr achos hwn.

Mae'r posibilrwydd o ddargludedd yn deillio o'r ffordd y gall electronau symud ar draws bondiau Si-O-Si ag orbitalau sy'n gorgyffwrdd. Mae gan lled-ddargludyddion ddau brif gyflwr: cyflwr y ddaear, nad yw'n dargludo trydan, a chyflwr dargludo, sef cyflwr dargludo. Mae'r cyflwr dargludo, a elwir hefyd yn gyflwr cynhyrfus, yn digwydd pan fydd rhai electronau'n neidio i fyny i'r orbital electron nesaf, sydd wedi'i gysylltu ar draws y defnydd fel metel.

Yn nodweddiadol, nid yw onglau bond Si-O-Si bond yn caniatáu ar gyfer y cysylltiad hwnnw. Ar 110 gradd, maent ymhell o linell syth 180 gradd. Ond yn y copolymer silicon darganfu'r tîm, dechreuodd y bondiau hyn ar 140 gradd yn y cyflwr gwaelod-ac maent yn ymestyn i 150 gradd yn y cyflwr cynhyrfus. Roedd hyn yn ddigon i greu priffordd i wefr drydanol lifo.

"Mae hyn yn caniatáu rhyngweithio annisgwyl rhwng electronau ar draws bondiau lluosog gan gynnwys bondiau Si-O-Si yn y copolymerau hyn," meddai Laine. "Po hiraf yw hyd y gadwyn, yr hawsaf yw hi i electronau deithio pellteroedd hirach, gan leihau'r egni sydd ei angen i amsugno golau ac yna ei allyrru ar egni is."

Mae priodweddau lled-ddargludol y copolymerau silicon hefyd yn galluogi ei sbectrwm o liwiau. Mae electronau'n neidio rhwng y ddaear a chyflyrau cynhyrfus trwy amsugno ac allyrru ffotonau, neu ronynnau o olau. Mae'r allyriad golau yn dibynnu ar hyd y gadwyn copolymer, y gall tîm Laine ei reoli. Mae cadwyni hirach yn golygu neidiau llai a ffotonau egni is, gan roi arlliw coch i'r silicon. Mae cadwyni byrrach angen neidiau mwy o'r electronau, felly maen nhw'n allyrru golau egni uwch tuag at ben glas y sbectrwm.

Er mwyn dangos y cysylltiad rhwng hyd y gadwyn ac amsugno golau ac allyriadau, gwahanodd yr ymchwilwyr gopolymerau â gwahanol hyd cadwyn a'u trefnu mewn tiwbiau prawf o hir i fyr. Mae disgleirio golau UV ar y tiwbiau yn creu enfys lawn wrth i bob un amsugno ac allyrru'r golau ar wahanol egni.

Mae'r arae liwgar sy'n seiliedig ar hyd cadwyn copolymer yn arbennig o unigryw oherwydd hyd yn hyn, dim ond tryloyw neu wyn y gwyddys bod siliconau'n dryloyw oherwydd bod eu priodweddau insiwleiddio yn golygu na allant amsugno llawer o olau.

“Rydym yn cymryd deunydd yr oedd pawb yn meddwl ei fod yn anadweithiol yn drydanol ac yn rhoi bywyd newydd iddo-un a allai bweru’r genhedlaeth nesaf o electroneg meddal, hyblyg,” meddai Zijing (Jackie) Zhang, myfyriwr doethuriaeth U-M mewn gwyddor deunyddiau a pheirianneg ac awdur arweiniol yr astudiaeth.