在電子產業中，「有機矽」長期以來被視為絕緣材料的代名詞，廣泛應用於電路保護、密封與醫療器材。
然而，近期密西根大學的研究卻顛覆了這一傳統認知——科學家發現某種新型有機矽竟能展現半導體的導電特性，甚至還能依鏈長展現多彩光譜。這項突破不僅挑戰了材料科學的基本常識，也為柔性電子、顯示器與穿戴式裝置開啟了全新可能。
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有機矽的傳統角色
長期以來，有機矽一直是電子產品中不可或缺的絕緣材料。其主要成分如矽氧樹脂（silicone、polysiloxane）、倍半矽氧烷（silsesquioxane），結構由交替的矽與氧原子（Si–O–Si）主鏈組成，側鏈則接上各種有機基團。這樣的分子設計賦予有機矽多種特性，包括耐高溫、抗氧化、彈性、防水與高度電絕緣性。因此，它廣泛應用於電子絕緣材料、密封劑、生醫植入物等，常見形式有矽油、矽膠、矽橡膠與矽樹脂。
「矽」與「有機矽」的區別
雖然名稱相似，但「矽（silicon）」與「有機矽（silicone）」截然不同。矽是半導體產業的核心材料，必須具備高純度與可控的能帶結構；而有機矽則屬於聚合物，主要作為保護與絕緣用途，並不具備半導體的導電性。因此，科學家過去從未將有機矽視為半導體材料。
意外的發現：導電共聚物
密西根大學的研究團隊在探索有機矽的不同交聯結構時，意外發現一種新型有機矽共聚物展現出導電潛力。一般而言，Si–O–Si 鍵的鍵角約為 110°，結構彎曲且難以提供電子通道，因此絕緣性極高。傳統改善導電性的方式，通常需要摻雜導電聚合物、奈米碳管、石墨烯或金屬奈米粒子，讓這些摻雜物能在Si–O–Si 鍵形成導電通道。
然而，研究人員發現這種有機矽共聚物的 Si–O–Si 鍵在基態下為 140°，而在激發態可延展至 150°，大幅改善電子傳導路徑，讓原本電惰性的結構具備半導體特性。
色彩可調的分子特性
更令人驚訝的是，這種新型共聚物不僅具導電性，還能依據分子鏈長度展現不同顏色。鏈越長，電子躍遷能量越低，呈現紅色；鏈越短，能量需求更高，則發出藍光。研究團隊透過控制共聚物鏈長，成功製造出能涵蓋整個光譜的材料，並在實驗中利用紫外光照射，讓不同鏈長的樣品依序展現彩虹般的顏色。
這一突破挑戰了人們對有機矽僅能呈現透明或白色的傳統認知，展現其作為新型光電半導體的潛力。
應用前景：柔性與多彩電子新時代
與剛性的傳統半導體相比，有機矽半導體的柔軟特性為新一代應用打開了可能性。研究團隊指出，未來它有望被應用於：
- 新型平板顯示器：提供更輕薄、可摺疊的顯示解決方案。
- 柔性光伏電池：開發可彎曲、穿戴式的綠能設備。
- 可穿戴感測器：結合顏色變化，增添互動性與設計感。
- 智慧紡織品：製造能顯示圖案或影像的衣物。
從絕緣體到半導體的跨越
這項發現的關鍵在於分子層級的設計。原本被認為僅能作為絕緣體的 Si–O–Si 結構，因鍵角改變而打開了導電通道。這不僅賦予有機矽「第二生命」，更可能推動柔性、多彩、且兼具電子功能的新型材料時代。
正如研究團隊所言：「我們把一種長期被視為電惰性的材料，轉化為能驅動下一代電子產品的半導體。」
參考資料
- 新型有機矽材料打破完全絕緣侷限，搖身成為半導體
- New Material Breaks the Rules: Scientists Turn Insulator Into a Semiconductor
- Zijing Zhang、Cecilia Pilon、Hana Kaehr、Pimjai Pimbaotham、Siriporn Jungsuttiwong 和 Richard M. Laine 合著的《Si─O─Si 鍵上的 σ–σ* 共軛》，2025 年 3 月 12 日，《大分子快速通訊》。 DOI ：10.1002/marc.202500081
(首圖來源:密西根大學)
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