Forskere udvikler ultratynde halvlederfibre, der gør stoffer til bærbar elektronik

Holdet mener, at deres innovation er et grundlæggende gennembrud i udviklingen af ​​halvlederfibre, der er ultralange og holdbare, hvilket betyder, at de er omkostningseffektive og skalerbare, samtidig med at de tilbyder fremragende elektrisk og optoelektronisk (hvilket betyder, at de kan føle, transmittere og interagere med lys) ydeevne.

NTU-lektor Wei Lei ved School of Electrical and Electronic Engineering (EEE) og hovedefterforsker af undersøgelsen sagde:"Den vellykkede fremstilling af vores højkvalitets halvlederfibre er takket være vores teams tværfaglige karakter.

"Fremstilling af halvlederfiber er en meget kompleks proces, der kræver knowhow fra materialevidenskabelige, mekaniske og elektrotekniske eksperter på forskellige stadier af undersøgelsen.

"Den samarbejdende teamindsats gav os en klar forståelse af de involverede mekanismer, hvilket i sidste ende hjalp os med at låse døren op til fejlfri tråde og overvinde en langvarig udfordring inden for fiberteknologi."

Udvikling af halvlederfiber

For at udvikle deres defektfrie fibre valgte det NTU-ledede team par af almindeligt halvledermateriale og syntetisk materiale - en siliciumhalvlederkerne med et silicaglasrør og en germaniumkerne med et aluminiumsilikatglasrør. Materialerne blev udvalgt ud fra deres egenskaber, der komplementerede hinanden.

Disse omfattede termisk stabilitet, elektrisk ledningsevne og evnen til at lade elektrisk strøm strømme igennem (resistivitet).

Silicium blev udvalgt for dets evne til at blive opvarmet til høje temperaturer og manipuleret uden at nedbryde og for dets evne til at arbejde i det synlige lysområde, hvilket gør det ideelt til brug i enheder beregnet til ekstreme forhold, såsom sensorer på beskyttelsesbeklædningen til brandmænd.

Germanium tillader på den anden side elektroner at bevæge sig gennem fiberen hurtigt (bærermobilitet) og arbejde i det infrarøde område, hvilket gør det velegnet til applikationer i bærbare eller stofbaserede (dvs. gardiner, duge) sensorer, der er kompatible med indendørs Light Fidelity ("LiFi") trådløse optiske netværk.

Dernæst indsatte forskerne halvledermaterialet (kernen) inde i glasrøret og opvarmede det ved høj temperatur, indtil røret og kernen var bløde nok til at blive trukket ind i en tynd kontinuerlig streng (se billedet nedenfor).

På grund af de forskellige smeltepunkter og termiske ekspansionshastigheder af deres udvalgte materialer, fungerede glasset som en vinflaske under opvarmningsprocessen, der indeholdt halvledermaterialet, der ligesom vin fylder flasken, efterhånden som den smeltede.

Første forfatter til undersøgelsen Dr. Wang Zhixun, forskningsstipendiat ved School of EEE, sagde:"Det tog omfattende analyser, før man landede på den rigtige kombination af materialer og proces for at udvikle vores fibre. Ved at udnytte de forskellige smeltepunkter og termiske ekspansionshastigheder af vores udvalgte materialer har vi med succes trukket halvledermaterialerne ind i lange tråde, da de kom ind og ud af varmeovnen, mens vi undgik defekter."

Glasset fjernes, når strengen afkøles og kombineres med et polymerrør og metaltråde. Efter endnu en omgang opvarmning trækkes materialerne til en hårtynd, fleksibel tråd.

I laboratorieforsøg viste halvlederfibrene fremragende ydeevne. Når de blev udsat for responsivitetstest, kunne fibrene detektere hele området for synligt lys, fra ultraviolet til infrarødt, og robust transmittere signaler på op til 350 kilohertz (kHz) båndbredde, hvilket gør den til en top performer af sin slags. Desuden var fibrene 30 gange hårdere end almindelige.

Fibrene blev også vurderet for deres vaskbarhed, hvor en klud vævet med halvlederfibre blev renset i en vaskemaskine 10 gange, og resultaterne viste ikke noget signifikant fald i fiberens ydeevne.

Co-principal investigator, Distinguished University Professor Gao Huajian, som afsluttede undersøgelsen, mens han var på NTU, sagde:"Silicon og germanium er to udbredte halvledere, som normalt betragtes som meget sprøde og tilbøjelige til at bryde."

"Fremstillingen af ​​ultralange halvlederfibre demonstrerer muligheden og gennemførligheden af ​​at fremstille fleksible komponenter ved hjælp af silicium og germanium, hvilket giver omfattende plads til udvikling af fleksible bærbare enheder af forskellige former.

"Dernæst vil vores team arbejde sammen om at anvende fiberfremstillingsmetoden til andre udfordrende materialer og for at opdage flere scenarier, hvor fibrene spiller en nøglerolle."

Kompatibilitet med industriens produktionsmetoder antyder let vedtagelse

For at demonstrere gennemførligheden af ​​brug i virkelige applikationer byggede teamet smart bærbar elektronik ved hjælp af deres nyskabte halvlederfibre. Disse omfatter en hue, en sweater og et ur, der kan registrere og behandle signaler.

For at skabe en enhed, der hjælper synshandicappede med at krydse befærdede veje, vævede NTU-teamet fibre ind i en huehat sammen med et interfaceboard. Når den blev testet eksperimentelt udendørs, blev lyssignaler modtaget af huen sendt til en mobiltelefonapplikation, hvilket udløste en advarsel.

En skjorte vævet med fibrene fungerede i mellemtiden som en "smart top", som kunne bæres på et museum eller et kunstgalleri for at modtage information om udstillinger og føre det ind i en øresnegl, mens bæreren gik rundt i rummene.

Et smartwatch med et armbånd integreret med fibrene fungerede som en fleksibel og konform sensor til at måle puls, i modsætning til traditionelle designs, hvor en stiv sensor er installeret på kroppen af ​​smarturet, hvilket måske ikke er pålideligt under omstændigheder, hvor brugerne er meget aktiv, og sensoren er ikke i kontakt med huden.

Desuden erstattede fibrene omfangsrige sensorer i kroppen af ​​smarturet, hvilket sparer plads og frigør designmuligheder for slankere urdesign.

Medforfatter Dr. Li Dong, en forskningsstipendiat ved School of Mechanical and Aerospace Engineering, sagde:"Vores fiberfremstillingsmetode er alsidig og let vedtaget af industrien. Fiberen er også kompatibel med nuværende tekstilindustrimaskiner, hvilket betyder, at den har potentiale for produktion i stor skala.

"Ved at demonstrere fibrenes brug i hverdagstøj som en hue og et ur, beviser vi, at vores forskningsresultater kan tjene som en guide til at skabe funktionelle halvlederfibre i fremtiden."

Til deres næste trin planlægger forskerne at udvide de typer materialer, der bruges til fibrene, og komme med halvledere med forskellige hule kerner, såsom rektangulære og trekantede former, for at udvide deres anvendelser.

Flere oplysninger: Zhixun Wang et al., Halvlederfibre af høj kvalitet via mekanisk design, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06946-0

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Nanyang Technological University