半导体，迎来新替代者

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硅和氧原子之间曾经被认为仅仅是绝缘体，但硅和氧原子之间角度的变化却为电荷的流动打开了通道。

密歇根大学的一项突破性发现表明，一种新型硅树脂可以充当半导体。这一发现挑战了长期以来硅树脂仅仅是绝缘材料的观念。

“这种材料为新型平板显示器、柔性光伏电池、可穿戴传感器，甚至能够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和大分子科学与工程教授、最近在《大分子快速通讯》上发表的研究的通讯作者理查德·莱恩说。

硅油和硅橡胶，又称聚硅氧烷和倍半硅氧烷，几十年来因其耐电流和热传导的特性而被广泛应用。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，传统半导体通常呈刚性。半导体硅树脂则有潜力实现莱恩所描述的柔性电子产品，并且还能呈现出多种颜色。

分子结构和电导率的发现

从分子层面来看，有机硅是由交替排列的硅原子和氧原子（Si—O—Si）组成的骨架，并在硅原子上附着有机（碳基）基团。当聚合物链相互连接（即交联）时，会形成各种三维结构，从而改变材料的强度或溶解度等物理性质。

在研究有机硅的不同交联结构时，研究小组偶然发现了共聚物的导电潜力，共聚物是一种含有两种不同类型重复单元的聚合物链——在本例中是笼状结构有机硅和线性有机硅。

导电性的可能性源于电子能够穿过轨道重叠的Si—O—Si键的方式。半导体主要有两种状态：不导电的基态和导电的导电态。导电态，也称为激发态，发生在一些电子跃迁到下一个电子轨道时，该轨道与材料（例如金属）相连。

通常情况下，Si—O—Si键角无法实现这种连接。110°的键角距离180°的直线相去甚远。但该团队发现，在硅酮共聚物中，这些键在基态时起始于140°，而在激发态时延伸至150°。这足以为电荷流动创造一条通道。

“这使得这些共聚物中包括Si—O—Si键在内的多个键之间的电子之间发生了意想不到的相互作用，”莱恩说。“链越长，电子就越容易行进更长的距离，从而减少了吸收光并以较低能量发射光所需的能量。”

色谱和链长控制

硅酮共聚物的半导体特性也使其拥有丰富的色彩光谱。电子通过吸收和发射光子（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，而莱恩的团队可以控制链的长度。链越长，跃迁越小，光子能量也越低，从而使硅酮呈现红色。链越短，电子跃迁所需的能量就越大，因此它们会发射出能量更高的蓝光，偏向光谱的蓝色端。

为了证明链长与光吸收和发射之间的联系，研究人员分离了不同链长的共聚物，并将它们从长到短排列在试管中。用紫外线照射试管，由于每个试管吸收和发射的光能量不同，因此形成了完整的彩虹。

基于共聚物链长的彩色阵列尤其独特，因为到目前为止，硅酮只被认为是透明或白色的，因为它们的绝缘特性使它们无法吸收太多的光。

“我们采用了一种大家都认为是电惰性的材料，并赋予它新的生命——这种材料可以为下一代柔软、灵活的电子产品提供动力，”密歇根大学材料科学与工程博士生、该研究的主要作者张子静（Jackie）说。

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

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

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