用細(xì)如發(fā)絲的半導(dǎo)體纖維材料“編織”特殊衣物
不久前，在新加坡南洋理工大學(xué)，兩位研究人員展示了一塊長(zhǎng)13.5米、寬0.6米、厚1毫米的特殊布料。這是一塊光電傳感布，由一根根細(xì)如發(fā)絲的纖維材料“編織”而成，用該布料做成的帽子、衣服等衣物，有望替代手機(jī)、平板電腦、智能手表等智能設(shè)備。
2月1日，《自然》（Nature）發(fā)表了一篇題為《通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)制備高質(zhì)量半導(dǎo)體纖維》的論文，主要介紹了圖片中用超長(zhǎng)連續(xù)的高質(zhì)量硅鍺纖維材料“編織”的布料是如何問世的。
長(zhǎng)13.5米、寬0.6米、厚1毫米的光電傳感布。受訪者供圖
該研究是由南洋理工大學(xué)教授魏磊牽頭的一支國(guó)際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)完成的，主要研究成員還包括高華健院士團(tuán)隊(duì)、中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員陳明團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張其沖團(tuán)隊(duì)等。
論文通訊作者張其沖告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》：“這是一項(xiàng)交叉合作的研究成果，高華健院士團(tuán)隊(duì)做力學(xué)模擬，陳明副研究員團(tuán)隊(duì)做柔性傳感器及功能應(yīng)用，魏磊教授和我的團(tuán)隊(duì)做材料制備與器件組裝。”
尋找“能屈能伸”的材料
讓脆性材料變得柔軟，甚至像毛線一樣能夠編成衣物，是魏磊團(tuán)隊(duì)的研究方向之一。
“如今的手機(jī)、電腦、智能手表等設(shè)備的芯片制造都離不開硅材料，在硅材料獲得青睞之前，鍺則是被用來(lái)制作歷史上第一個(gè)晶體管的經(jīng)典材料。”論文共同第一作者、在南洋理工大學(xué)從事博士后工作的汪志勛介紹，盡管這兩種材料具備自然儲(chǔ)量豐富、電氣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，但它們還是“寧為玉碎，不為瓦全”的脆性材料，制作的芯片也“威武不能屈”——非常容易斷裂。
已有研究發(fā)現(xiàn)，雖然以硅鍺為代表的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料已成為制造芯片不可或缺的關(guān)鍵材料，因?yàn)檫@些材料在熱穩(wěn)定性、電學(xué)性能、規(guī)模化生產(chǎn)等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但在電子產(chǎn)業(yè)擁抱柔性化的新趨勢(shì)下，這些半導(dǎo)體的本征脆性給材料科學(xué)家?guī)?lái)了不小的挑戰(zhàn)。
如何讓這些半導(dǎo)體材料“能屈能伸，柔軟好用”呢？近年來(lái)，國(guó)際學(xué)術(shù)界相繼提出了一些降低維度的解決方案。
論文共同第一作者、吉林大學(xué)教授王哲解釋道，降低維度是指采用三維尺寸極小，可以認(rèn)為是零維形態(tài)的硅“點(diǎn)”（零維納米硅），以陣列形式分布在柔性基底上，形成一個(gè)軟硬交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)脆硬材料的柔性化；或者是減小晶圓的厚度，并鈍化機(jī)械損傷，從而得到一張平面（二維納米硅）形態(tài)可以彎曲的硅薄膜。
“當(dāng)前，學(xué)術(shù)界對(duì)一維（一維納米硅）形態(tài)的半導(dǎo)體纖維研究相對(duì)較少，主要原因是制備極其困難。”魏磊表示，關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何大規(guī)模高產(chǎn)量地連續(xù)制造具有相當(dāng)長(zhǎng)度的、無(wú)裂紋的半導(dǎo)體纖維。
可編織光電傳感布問世
盡管研究已發(fā)現(xiàn)微下拉法等從熔體出發(fā)的晶體生長(zhǎng)法，但半導(dǎo)體纖維的制備仍然面臨一些重大難題。
汪志勛介紹，熔芯熱拉法是將生產(chǎn)玻璃光纖的方法稍加改動(dòng)，用于制造多材料纖維的一種方法。該方法具有低成本、高速度、長(zhǎng)纖維等特點(diǎn)，其纖維拉制速度可以達(dá)到每分鐘數(shù)十米甚至上百米，并且單根纖維的拉制長(zhǎng)度可以達(dá)到公里級(jí)。但是，熔芯熱拉法制造出的半導(dǎo)體纖維往往具有形狀不均勻，纖芯斷裂多發(fā)等缺陷，限制了其實(shí)際應(yīng)用。
“要解決半導(dǎo)體纖維的生產(chǎn)難題，熔芯熱拉法是一個(gè)有潛力的辦法，但需要從根本上梳理清楚缺陷發(fā)生機(jī)制，從源頭上解決問題。”張其沖告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，參與研究的團(tuán)隊(duì)成員結(jié)合各自背景和優(yōu)勢(shì)，突破傳統(tǒng)思維，從基礎(chǔ)科學(xué)出發(fā)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分階段地把熔芯熱拉法中不同的物理和化學(xué)過(guò)程清晰地歸納總結(jié)，明確了纖維制備中關(guān)鍵的流體和固體力學(xué)問題。
從理論模型的建立到半導(dǎo)體纖維的成功拉制，這支國(guó)際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了熔芯熱拉法的系統(tǒng)規(guī)律，并基于半導(dǎo)體纖維展示了可編織光電傳感布的日常應(yīng)用。“這種傳感布可以縫成一頂帽子、一件衣服，或是以單根纖維（一維納米硅）的形式貼服在復(fù)雜形狀的表面，以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光的連續(xù)化監(jiān)測(cè)、室內(nèi)光通訊、健康管理甚至深海無(wú)線通訊等極端環(huán)境多種實(shí)際應(yīng)用。”陳明說(shuō)。
一根根“發(fā)絲”大有可為
據(jù)了解，硅、鍺是電子產(chǎn)業(yè)中廣為成熟應(yīng)用的代表性材料，用它們做成的半導(dǎo)體纖維有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)——可以與現(xiàn)有技術(shù)工藝的兼容。
張其沖表示，光電傳感只是這款硅鍺纖維材料應(yīng)用的一小塊，該材料還有更廣的應(yīng)用，如太陽(yáng)能電池、溫度壓力及其它信號(hào)的傳感、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，甚至是集成電路和微處理器，未來(lái)都有可能在這一根根“發(fā)絲”上實(shí)現(xiàn)，并且能夠編織進(jìn)日常穿著的衣物里，在感覺不到的情況下提升人們的生活品質(zhì)。
“如今，我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量硅鍺半導(dǎo)體纖維材料的規(guī)模化生產(chǎn)，但要實(shí)現(xiàn)更廣的應(yīng)用還面臨著挑戰(zhàn)。”魏磊介紹，從纖維形態(tài)出發(fā)，目前的形狀單一，而不同的器件可能要求不同形狀或是具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的纖維；從材料本身出發(fā)，還需要進(jìn)一步探索第三代及第四代半導(dǎo)體材料的纖維化制備。
張其沖透露，未來(lái)，聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步研究多功能纖維材料，共同解決生產(chǎn)制備中的問題，讓人們像貼身衣物一樣攜帶自己需要的智能設(shè)備。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06946-0
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