اكتشف فريق من الباحثين في جامعة ميشيغان كوبوليمر سيليكون جديد يمكنه توصيل الكهرباء وإصدار الضوء - وهو إنجاز يمكن أن يؤدي إلى إنتاج إلكترونيات مرنة وخلايا شمسية يمكن ارتداؤها وشاشات ملونة رقيقة للغاية.
كشف اكتشافٌ رائدٌ من جامعة ميشيغان عن قدرة نوعٍ جديدٍ من السيليكون على العمل كشبه موصل. يُشكِّل هذا الاكتشافُ تناقضًا مع الاعتقاد السائد بأن السيليكونات موادٌ عازلةٌ فحسب.
وقال ريتشارد لين، أستاذ علوم وهندسة المواد والمؤلف المشارك في الدراسة: "تفتح هذه المادة إمكانيات جديدة لأنواع جديدة من الشاشات الرقيقة، والخلايا الشمسية المرنة، وأجهزة الاستشعار القابلة للارتداء أو حتى الملابس التي يمكنها عرض أنماط أو صور مختلفة".
تُستخدم زيوت السيليكون ومطاط السيليكون منذ عقود لمقاومتهما لتدفق الكهرباء والحرارة. خصائصهما المقاومة للماء تجعلهما مثاليين للأجهزة الطبية الحيوية، ومواد الختم، والطلاءات الإلكترونية، وغيرها.
عادةً ما تكون أشباه الموصلات التقليدية صلبة. يتمتع السيليكون شبه الموصل بالقدرة على تمكين الإلكترونيات المرنة التي وصفها لين، كما يتوفر السيليكون بألوان متنوعة.
البنية الجزيئية واكتشاف الموصلية
على المستوى الجزيئي، تتكون السيليكونات من سلسلة من ذرات السيليكون والأكسجين المتناوبة (Si‑O‑Si) مع مجموعات عضوية (كربونية) مرتبطة بالسيليكون. تظهر تكوينات ثلاثية الأبعاد مختلفة لسلاسل البوليمر عند ارتباطها ببعضها، وهو ما يُسمى بالترابط المتشابك، وهذا يُغير الخصائص الفيزيائية للمادة، مثل المتانة والذوبانية.
أثناء التحقيق في الهياكل المترابطة المختلفة في السيليكون، واجه فريق البحث إمكانية التوصيل الكهربائي في البوليمر المشترك، وهو عبارة عن سلسلة بوليمر تحتوي على نوعين مختلفين من الوحدات المتكررة - البوليمرات القفصية ثم البوليمرات الخطية في هذه الحالة.
تنبع إمكانية التوصيل من طريقة تحرك الإلكترونات عبر روابط السيليكون-الأكسجين-السيليكون ذات المدارات المتداخلة. لأشباه الموصلات حالتان رئيسيتان: حالة أرضية لا توصل الكهرباء، وحالة موصلة توصلها. تحدث الحالة الموصلة، والتي تُسمى أيضًا الحالة المثارة، عندما تقفز بعض الإلكترونات إلى المدار الإلكتروني التالي، المتصل بسطح المادة، كما هو الحال في المعدن.
عادةً، لا تسمح زوايا روابط السيليكون-الأكسجين-السيليكون بهذا الاتصال. عند زاوية 110°، تكون هذه الروابط بعيدة كل البعد عن خط مستقيم 180°. ولكن في كوبوليمر السيليكون الذي اكتشفه الفريق، بدأت هذه الروابط عند زاوية 140° في الحالة الأرضية، وامتدت إلى زاوية 150° في الحالة المثارة. كان ذلك كافيًا لإنشاء مسار لتدفق الشحنة الكهربائية.
يقول لين: "هذا يسمح بتفاعل غير متوقع بين الإلكترونات عبر روابط متعددة، بما في ذلك روابط السيليكون-الأكسجين-السيليكون في هذه البوليمرات المشتركة. كلما طالت السلسلة، سهّل على الإلكترونات قطع مسافات أطول، مما يقلل الطاقة اللازمة لامتصاص الضوء ثم إصداره عند طاقات أقل".
تُمكّن خصائص أشباه الموصلات لبوليمرات السيليكون المشتركة من الحصول على طيف الألوان. تنتقل الإلكترونات بين الحالة الأرضية والحالة المثارة عن طريق امتصاص وانبعاث الفوتونات، أو جسيمات الضوء. يعتمد انبعاث الضوء على طول سلسلة البوليمر المشتركة، والتي يمكن لفريق لين التحكم بها. السلاسل الأطول تعني قفزات أصغر وفوتونات ذات طاقة أقل، مما يُعطي السيليكون لونًا أحمر. تتطلب السلاسل الأقصر قفزات أكبر من الإلكترونات، لذا تُصدر ضوءًا بطاقة أكبر نحو الطرف الأزرق من الطيف.
