NTMT丨可穿戴织物领域新突破，一种高性能柔性纤维问世！

百科 2024-11-09 15:20 上海

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试想一下，一顶可清洗的帽子可以帮助盲人感知交通信号灯的变化，或者一件衣服可以在穿戴者穿梭于博物馆时充当导游。这些技术可以利用配备了能检测和处理信号的半导体器件的智能柔性纤维来实现，而且这种纤维的性能在过去几年中得到了飞速发展。然而，现有的制造方法可能会生产出半导体芯断裂、有缺陷的线。

本文报告了一种创新方法，即把微小的半导体元件送入拉纤机，从而制造出连续的高性能柔性纤维，这种纤维可以相互感应、通信和互动。

研究背景

以硅锗为代表的半导体是现代电子产业的“大脑”—芯片不可或缺的关键材料。这些无机半导体在化学及热稳定性，电学性能，规模化生产等方面具有不可比拟的优势。然而在电子产业拥抱柔性化的新趋势下，这些半导体的本征脆性给科学家和工程师们带来了不小的挑战。

如何用这些半导体发挥柔性？

近些年国际学术界相继提出了一些从降低维度方面的解决方案。例如采用三维尺寸极小，可以认为是零维形态的硅“点”，以阵列形式分布在柔性基底上，形成一个软硬交联的网络来实现对脆硬材料的柔性化；又或是减小晶圆的厚度，并钝化机械损伤，从而得到一张二维形态可以弯曲的硅薄膜。然而，对一维形态的半导体纤维研究相对较少，主要原因是制备异常困难。在这方面，尽管有例如微下拉法等从熔体出发的晶体生长法的示例，但半导体纤维的制备仍然面临一些重大难题。其关键挑战在于：如何大规模高产量地连续制造具有相当长度的、无裂纹的半导体纤维。

本文亮点

近日，新加坡南洋理工大学魏磊副教授团队/高华健院士团队、中国科学院深圳先进技术研究院杨春雷/陈明研究团队和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲研究员团队合作，以熔融芯法纤维形成三个阶段（粘性流动、芯结晶和随后的冷却）的应力分布和毛细管不稳定性的理论研究为指导，通过核心半导体材料和壳体材料的机械匹配原则，突破了脆性无机半导体材料的纤维柔性化技术，实现了超长、无断裂和无扰动无机半导体纤维的连续化制备。

然后，采用新开发的收敛热拉法将半导体纤维集成到具有不同设计的导体、半导体和绝缘体复合结构中，由此获得的光电纤维在 2 V 偏压下表现出高达 0.55 A W-1 的响应度和短至 900 ns 的响应时间，与商用平面型光电探测器相当，解决了高性能的无机半导体材料与热拉法制备纤维的兼容性问题。该成果以High-quality semiconductor fibres via mechanical design为题发表于Nature上，南洋理工大学博士后汪志勋、李栋和吉林大学教授王哲为共同第一作者,南洋理工大学的魏磊副教授/高华健院士、中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲研究员为共同通讯作者。

图文解析

一维纤维作为一种新兴的无机半导体材料应用形态，具有细和柔的独特优势，它为柔性电子器件与人们日常衣着的无缝融合、柔性电子设备与日常生活的无感链接提供了全新的可能性。然而，快速和超长的高质量半导体纤维制备技术仍然是科学界的巨大挑战。研究团队从传统的光纤制备及热拉制工艺中获得灵感，将单一材料纤维的热拉制法扩展为多材料的制备工艺，并从固体力学和流体力学的角度出发，解决了无机半导体纤维热拉制过程中的多材料体系应力失配和流体不稳定性问题，成功实现了每分钟数米至数十米高速拉制长达数百米的硅/锗半导体纤维制备策略。

图1. 高质量无机半导体纤维

纤芯材料中的应力主要是由纤芯和包层之间的体积变化差异引起的，这种差异源自纤芯凝固和不匹配的热膨胀。纤芯凝固前的扰动是由毛细管不稳定性引起的。这些机制得到建模和有限元模拟的进一步支持，通过材料选择和工艺优化进行合理的力学设计可以缓解和抑制此类应力和不稳定性。熔芯法的力学设计为高质量半导体纤维的发展提供了新的研究方向，并有望扩展到更广泛的材料范围。

图2. 热拉制法中包层/半导体纤芯结构的应力适配和流体不稳定性分析

研究团队进一步采用收敛热拉制法，在头发丝粗细的纤维内建立绝缘体、导体和半导体之间紧密稳固的材料界面，在拉制过程中完成了器件的装配及封装，组装的光电纤维探测器在极端环境下仍表现出优异稳定性，可以在水下三千米甚至更深的压力环境下稳定工作。这种柔韧稳定的纤维状光电探测器既可以单独使用，也可以编织进布料中，从而将被动式的衣物打造成功能性“智能”穿着，其在未来的智能穿戴、元宇宙、人工智能、极端环境传感器、脑机接口等领域都将具有广阔应用前景。

图3. 高性能半导体纤维光电探测器及应用

功能应用

作者表明该纤维可用于制造多种设备。在一个例子中，作者将纤维编织成一顶帽子，可用于感知交通灯信号。帽子收到的信号被发送到手机，当灯变红或变绿时，手机就会发出蜂鸣声。在另一个案例中，纤维被编织成毛衣，用作光保真(Li-Fi)设备，这种技术以光频率而不是5G等无线网络使用的射频传输数据。毛衣检测到被编码为光脉冲的图像信号，然后第二个设备对这些信号进行解码以重建图像。

作者还将他们的智能纤维编织成灵活的腕带，其性能优于类似的心率监测设备。目前可用的设备通常使用刚性传感器，该传感器不会弯曲到手腕的形状，因此可能会产生不准确的测量结果。本文的光纤性能与这些商用硅器件相当，但它们还可以承受高压缩，例如在 3000 米水下深度所经历的压缩。作者展示了他们的腕带可用于检测潜艇周围的可见光。

该技术的另一个关键优势是它的工业就绪性。制造纤维的仪器包括一个纤维牵引装置，该装置用于生产电信行业的商用光纤。一旦纤维生成，就可以使用纺织业已经广泛使用的工具将其编织成织物。

总结与展望

本项工作首次明确了‘纤芯-包层’力学相互作用，通过核心半导体材料和壳体材料的机械匹配原则，突破脆性无机半导体材料的纤维柔性化技术，实现超长、无断裂和无扰动无机半导体纤维的连续化制备。这项工作为从传统材料和器件形态中无法企及的极端力学和流体动力学提供了新的见解，有望促进解决对高性能柔性半导体材料和可穿戴电子器件日益增长的需求。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-023-06946-0

来源：研之成理、材料科学前沿、NTMT纺织新材料

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