蘇州納米所張其沖等合作Nature:通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)制備高質(zhì)量半導(dǎo)體纖維
纖維技術(shù)的最新突破將具有緊密界面的功能材料在一維限域空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)組裝。由于半導(dǎo)體是控制器件性能的關(guān)鍵組件,因此纖維內(nèi)部半導(dǎo)體的選擇、控制和工程化是實(shí)現(xiàn)高性能功能纖維的關(guān)鍵途徑。由于加工溫度低和流體行為可控,玻璃狀半導(dǎo)體通常用于熱拉光纖。然而,與電子領(lǐng)域最廣泛使用的晶體半導(dǎo)體(例如硅和鍺)相比,它們不可避免的高密度電子缺陷導(dǎo)致所制造的纖維的電性能較差。因此,晶體半導(dǎo)體的使用更有利于從根本上推動(dòng)功能纖維的進(jìn)一步發(fā)展。
為了獲得連續(xù)超長(zhǎng)晶體半導(dǎo)體纖維,研究者開(kāi)發(fā)了各種晶體生長(zhǎng)技術(shù),例如直拉法、布里奇曼-斯托克巴格法、浮區(qū)法和微下拉法。盡管如此,生長(zhǎng)速度和制造長(zhǎng)度通常僅限于每小時(shí)幾厘米和幾十厘米。熔芯光纖熱拉法通過(guò)物理熔融再拉伸物理尺寸減小的工藝成為一種柔性功能纖維的大規(guī)模制備通用技術(shù)。使用這種方法,半導(dǎo)體芯被熔化成流體流,該流體流被玻璃包層限制并熱拉成光纖。 因此,可以在一次拉絲過(guò)程中以每分鐘幾十米的速度生產(chǎn)超過(guò)數(shù)百米的半導(dǎo)體纖維。 玻璃包層和半導(dǎo)體纖芯之間的界面對(duì)纖芯中復(fù)雜應(yīng)力的發(fā)展有很大影響,導(dǎo)致纖維受到擾動(dòng)或斷裂,這嚴(yán)重制約了功能纖維的大規(guī)模生產(chǎn)。盡管光纖熱拉法得到了不斷地改善,但缺乏對(duì)纖維形成的每個(gè)階段進(jìn)行徹底的機(jī)械研究,無(wú)法建立合理的機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)、連續(xù)、無(wú)擾動(dòng)和無(wú)斷裂的半導(dǎo)體纖維。
近日,新加坡南洋理工大學(xué)魏磊副教授/高華健院士聯(lián)合中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院陳明副研究員與中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張其沖項(xiàng)目研究員,以熔融芯法纖維形成三個(gè)階段(粘性流動(dòng)、芯結(jié)晶和隨后的冷卻)的應(yīng)力發(fā)展和毛細(xì)管不穩(wěn)定性的理論研究為指導(dǎo),發(fā)展了核心半導(dǎo)體材料和殼體材料的機(jī)械匹配原則,突破脆性無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料的纖維柔性化技術(shù),實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)、無(wú)斷裂和無(wú)擾動(dòng)無(wú)機(jī)半導(dǎo)體纖維的連續(xù)化制備。然后,采用新開(kāi)發(fā)的收斂熱拉法將半導(dǎo)體纖維集成到具有不同設(shè)計(jì)的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體復(fù)合結(jié)構(gòu)中,由此獲得的光電纖維在 2 V 偏壓下表現(xiàn)出高達(dá) 0.55 A W-1 的響應(yīng)度和短至 900 ns 的響應(yīng)時(shí)間,與商用平面型光電探測(cè)器相當(dāng),解決了高性能的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料與熱拉法制備纖維的兼容性問(wèn)題。更重要的是,這些纖維的柔軟輕便和出色的機(jī)械性能使其特別適合構(gòu)建大面積光電織物,同時(shí)保持輕質(zhì)、舒適性、可機(jī)洗和透氣性等有利特性。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步展示了光電織物的廣泛應(yīng)用,包括個(gè)人輔助設(shè)備、用于織物間通信的可穿戴Li-Fi系統(tǒng)、用于個(gè)人健康監(jiān)測(cè)的智能手表帶以及水下可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。這項(xiàng)工作為從傳統(tǒng)材料和器件形態(tài)中無(wú)法企及的極端力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)提供了新的見(jiàn)解,有望促進(jìn)解決對(duì)高性能柔性半導(dǎo)體材料和可穿戴電子器件日益增長(zhǎng)的需求。
圖1. 半導(dǎo)體光電纖維的設(shè)計(jì)與制備
圖2. 熔芯法中的應(yīng)力分析和毛細(xì)管不穩(wěn)定性
圖3. 光電纖維和大型光電織物
纖芯材料中的應(yīng)力主要是由纖芯和包層之間的體積變化差異引起的,這種差異源自纖芯凝固和不匹配的熱膨脹。纖芯凝固前的擾動(dòng)是由毛細(xì)管不穩(wěn)定性引起的。這些機(jī)制得到建模和有限元模擬的進(jìn)一步支持,通過(guò)材料選擇和工藝優(yōu)化進(jìn)行合理的力學(xué)設(shè)計(jì)可以緩解和抑制此類(lèi)應(yīng)力和不穩(wěn)定性。熔芯法的力學(xué)設(shè)計(jì)為高質(zhì)量半導(dǎo)體纖維的發(fā)展提供了新的研究方向,并有望擴(kuò)展到更廣泛的材料范圍。使用半導(dǎo)體纖維來(lái)實(shí)現(xiàn)光電纖維、織物和功能性服裝,為實(shí)現(xiàn)高性能功能性纖維和織物提供了一條有前途的途徑。因?yàn)榘雽?dǎo)體是主要控制設(shè)備性能的關(guān)鍵組件,這一重大突破可能會(huì)使功能纖維朝著高性能可穿戴傳感、驅(qū)動(dòng)、能量轉(zhuǎn)換和計(jì)算能力邁進(jìn)一步, 從而提供具有經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的創(chuàng)新。
該成果以High-quality semiconductor fibres via mechanical design為題發(fā)表于Nature,南洋理工大學(xué)博士后汪志勛、李棟和吉林大學(xué)教授王哲為共同第一作者,中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張其沖項(xiàng)目研究員、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)院陳明副研究員、南洋理工大學(xué)高華健教授、魏磊副教授為共同通訊作者。該工作得到了中國(guó)科學(xué)院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃和江蘇省青年基金等項(xiàng)目的支持。
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