蘇州納米所張其沖等合作Nature：通過機械設計制備高質量半導體纖維
纖維技術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實現(xiàn)精準組裝。由于半導體是控制器件性能的關鍵組件，因此纖維內部半導體的選擇、控制和工程化是實現(xiàn)高性能功能纖維的關鍵途徑。由于加工溫度低和流體行為可控，玻璃狀半導體通常用于熱拉光纖。然而，與電子領域最廣泛使用的晶體半導體（例如硅和鍺）相比，它們不可避免的高密度電子缺陷導致所制造的纖維的電性能較差。因此，晶體半導體的使用更有利于從根本上推動功能纖維的進一步發(fā)展。
為了獲得連續(xù)超長晶體半導體纖維，研究者開發(fā)了各種晶體生長技術，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，生長速度和制造長度通常僅限于每小時幾厘米和幾十厘米。熔芯光纖熱拉法通過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。使用這種方法，半導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，可以在一次拉絲過程中以每分鐘幾十米的速度生產超過數(shù)百米的半導體纖維。 玻璃包層和半導體纖芯之間的界面對纖芯中復雜應力的發(fā)展有很大影響，導致纖維受到擾動或斷裂，這嚴重制約了功能纖維的大規(guī)模生產。盡管光纖熱拉法得到了不斷地改善，但缺乏對纖維形成的每個階段進行徹底的機械研究，無法建立合理的機械設計來實現(xiàn)超長、連續(xù)、無擾動和無斷裂的半導體纖維。
近日，新加坡南洋理工大學魏磊副教授/高華健院士聯(lián)合中國科學院深圳先進技術研究院陳明副研究員與中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張其沖項目研究員，以熔融芯法纖維形成三個階段（粘性流動、芯結晶和隨后的冷卻）的應力發(fā)展和毛細管不穩(wěn)定性的理論研究為指導，發(fā)展了核心半導體材料和殼體材料的機械匹配原則，突破脆性無機半導體材料的纖維柔性化技術，實現(xiàn)超長、無斷裂和無擾動無機半導體纖維的連續(xù)化制備。然后，采用新開發(fā)的收斂熱拉法將半導體纖維集成到具有不同設計的導體、半導體和絕緣體復合結構中，由此獲得的光電纖維在 2 V 偏壓下表現(xiàn)出高達 0.55 A W-1 的響應度和短至 900 ns 的響應時間，與商用平面型光電探測器相當，解決了高性能的無機半導體材料與熱拉法制備纖維的兼容性問題。更重要的是，這些纖維的柔軟輕便和出色的機械性能使其特別適合構建大面積光電織物，同時保持輕質、舒適性、可機洗和透氣性等有利特性。研究團隊進一步展示了光電織物的廣泛應用，包括個人輔助設備、用于織物間通信的可穿戴Li-Fi系統(tǒng)、用于個人健康監(jiān)測的智能手表帶以及水下可見光通信系統(tǒng)。這項工作為從傳統(tǒng)材料和器件形態(tài)中無法企及的極端力學和流體動力學提供了新的見解，有望促進解決對高性能柔性半導體材料和可穿戴電子器件日益增長的需求。
圖1. 半導體光電纖維的設計與制備
圖2. 熔芯法中的應力分析和毛細管不穩(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。纖芯凝固前的擾動是由毛細管不穩(wěn)定性引起的。這些機制得到建模和有限元模擬的進一步支持，通過材料選擇和工藝優(yōu)化進行合理的力學設計可以緩解和抑制此類應力和不穩(wěn)定性。熔芯法的力學設計為高質量半導體纖維的發(fā)展提供了新的研究方向，并有望擴展到更廣泛的材料范圍。使用半導體纖維來實現(xiàn)光電纖維、織物和功能性服裝，為實現(xiàn)高性能功能性纖維和織物提供了一條有前途的途徑。因為半導體是主要控制設備性能的關鍵組件，這一重大突破可能會使功能纖維朝著高性能可穿戴傳感、驅動、能量轉換和計算能力邁進一步, 從而提供具有經濟和社會效益的創(chuàng)新。
該成果以High-quality semiconductor fibres via mechanical design為題發(fā)表于Nature，南洋理工大學博士后汪志勛、李棟和吉林大學教授王哲為共同第一作者，中國科學院蘇州納米所張其沖項目研究員、中國科學院深圳先進院陳明副研究員、南洋理工大學高華健教授、魏磊副教授為共同通訊作者。該工作得到了中國科學院“率先行動”引才計劃和江蘇省青年基金等項目的支持。
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