Uorganisk dobbelthelix:En fleksibel halvleder til elektronik, solteknologi og fotokatalyse

Det er den dobbelte helix, med sin stabile og fleksible struktur af genetisk information, der gjorde livet på Jorden muligt i første omgang. Nu har et hold fra det tekniske universitet i München (TUM) opdaget en dobbelt helixstruktur i et uorganisk materiale. Materialet bestående af tin, jod og fosfor er en halvleder med ekstraordinære optiske og elektroniske egenskaber, samt ekstrem mekanisk fleksibilitet.

Fleksibel, men robust - dette er en af ​​grundene til, at naturen koder genetisk information i form af en dobbelt helix. Forskere ved TU München har nu opdaget et uorganisk stof, hvis grundstoffer er arrangeret i form af en dobbelt helix.

Stoffet kaldet SnIP, bestående af elementerne tin (Sn), jod (I) og fosfor (P), er en halvleder. Imidlertid, i modsætning til konventionelle uorganiske halvledende materialer, den er meget fleksibel. De centimeterlange fibre kan bøjes vilkårligt uden at gå i stykker.

"Denne egenskab ved SnIP kan tydeligt tilskrives den dobbelte helix, " siger Daniela Pfister, som opdagede materialet og arbejder som forsker i Tom Nilges arbejdsgruppe, Professor i syntese og karakterisering af innovative materialer ved TU München. "SnIP kan nemt produceres i gramskala og er, i modsætning til galliumarsenid, som har lignende elektroniske egenskaber, langt mindre giftig."

Utallige anvendelsesmuligheder

De halvledende egenskaber ved SnIP lover en bred vifte af anvendelsesmuligheder, fra energiomdannelse i solceller og termoelektriske elementer til fotokatalysatorer, sensorer og optoelektroniske elementer. Ved at dope med andre elementer, det nye materiales elektroniske egenskaber kan tilpasses til en bred vifte af anvendelser.

På grund af arrangementet af atomer i form af en dobbelt helix, fibrene, som er op til en centimeter lange, kan nemt deles i tyndere tråde. De tyndeste fibre til dato omfatter kun fem dobbeltspiralstrenge og er kun nogle få nanometer tykke. Det åbner også døren til nanoelektroniske applikationer.

"Især kombinationen af ​​interessante halvlederegenskaber og mekanisk fleksibilitet giver os stor optimisme med hensyn til mulige anvendelser, " siger professor Nilges. "Sammenlignet med organiske solceller, vi håber at opnå væsentlig højere stabilitet fra de uorganiske materialer. For eksempel, SnIP forbliver stabilt op til omkring 500 °C (930 °F)."

Lige i begyndelsen

"I lighed med kulstof, hvor vi har den tredimensionelle (3D) diamant, den todimensionelle grafen og de endimensionelle nanorør, " forklarer professor Nilges, "vi har her, sammen med det 3D-halvledende materiale silicium og 2D-materialet phosphoren, for første gang et endimensionelt materiale - med perspektiver, der er lige så spændende som kulstofnanorør."

Ligesom med carbon nanorør og polymerbaseret trykfarve, SnIP dobbeltspiraler kan suspenderes i opløsningsmidler som toluen. På denne måde tynde lag kan fremstilles nemt og omkostningseffektivt. "Men vi er kun i begyndelsen af ​​materialeudviklingsfasen, " siger Daniela Pfister. "Hvert enkelt procestrin mangler stadig at blive udarbejdet."

Da de dobbelte helixstrenge i SnIP kommer i venstre- og højrehåndsvarianter, materialer, der kun omfatter en af ​​de to, bør have særlige optiske egenskaber. Dette gør dem meget interessante til optoelektronikapplikationer. Men, indtil videre er der ingen teknologi tilgængelig til at adskille de to varianter.

Teoretiske beregninger fra forskerne har vist, at en lang række yderligere elementer skulle danne denne slags uorganiske dobbeltspiraler. Omfattende patentbeskyttelse afventer. Forskerne arbejder nu intensivt på at finde egnede produktionsprocesser til yderligere materialer.

En omfattende tværfaglig alliance arbejder på karakteriseringen af ​​det nye materiale:Fotoluminescens- og konduktivitetsmålinger er blevet udført på Walter Schottky Instituttet ved TU München. Teoretiske kemikere fra universitetet i Augsburg samarbejdede om de teoretiske beregninger. Forskere fra University of Kiel og Max Planck Institute of Solid State Research i Stuttgart udførte transmissionselektronmikroskopundersøgelser. Mössbauer spektre og magnetiske egenskaber blev målt ved University of Augsburg, mens forskere fra TU Cottbus bidrog med termodynamiske målinger.