ألياف أشباه الموصلات مقاومة للكسر ومغطاة بالزجاج – عالم الفيزياء

تم إنتاج ألياف أشباه الموصلات فائقة الطول والخالية من الكسر داخل الكسوة الزجاجية من قبل باحثين في سنغافورة والصين. ومن خلال حفر الزجاج واستبداله بغلاف بوليمر مرن مدمج بأسلاك معدنية، تمكن الباحثون من إنتاج ألياف دقيقة الحجم يمكن غزلها في المنسوجات. هذا العمل، الذي يعتمد على سعي طويل الأمد لإنتاج إلكترونيات تعتمد على الألياف، يمكن أن يكون له تطبيقات في الملابس الذكية، والأجهزة الطبية، وربما في مجال الضوئيات.

تم تطوير الألياف الأولى التي تحتوي على شبه موصل داخل الزجاج البصري بواسطة الكيميائي جون بادينغ من جامعة ولاية بنسلفانيا في الولايات المتحدة بعد إجازة في جامعة ساوثهامبتون في المملكة المتحدة. استخدم ترسيب البخار الكيميائي عالي الضغط لوضع مواد مختلفة داخل ألياف بصرية مجوفة. "جاءني [بادينغ] وقال: هل هذا جيد؟" وقلت لنفسي: "أنت تمزح معي، هذا مذهل!" يقول عالم ومهندس المواد: "لقد بدأنا التعاون". فينكاترامان جوبالان، أيضا من ولاية بنسلفانيا. ومع ذلك، تعطلت هذه التقنية بسبب بطء معدل إنتاج الألياف، وانتهى التعاون فعليًا بعد الوفاة المفاجئة لبادينغ عن عمر يناهز 57 عامًا في عام 2019.

في 2008 جون بالاتو قام باحثون من جامعة كليمسون في كارولاينا الجنوبية بتطوير طريقة اللب المنصهر لإنتاج ألياف بصرية من السيليكون والجرمانيوم. يتم تسخين المادتين فوق نقطة انصهارهما التي تزيد عن 1000 درجة مئوية. يتم بعد ذلك حقن السيليكون المنصهر في الزجاج أثناء سحبه إلى الألياف، وعندما يبرد الاثنان، يحيط أحدهما الصلب بالآخر. تسمح هذه الطريقة بإنتاج عشرات الأمتار كل دقيقة، وقد اجتذبت الألياف الاهتمام بأشعة الليزر الطبية والبصريات غير الخطية والعديد من التطبيقات الأخرى. إحدى المشاكل هي أن الاختلافات في معاملات التمدد الحراري بين شبه الموصل والزجاج تتسبب في كسر شبه الموصل أثناء تبريده. يؤدي هذا إلى حدوث خسائر بصرية ويجعل من المستحيل إزالة الزجاج دون تفكك الألياف.

تكسير دراسة جديدة

وفي العمل الجديد، أجرى الباحثون في جامعة نانيانغ التكنولوجية في سنغافورة، وجامعة جيلين في الصين وأماكن أخرى، دراسة شاملة لهذا التشقق. يقول: "لقد عملنا مع خبراء ميكانيكيين ساعدونا في شرح العوامل الرئيسية". لى وى من جامعة نانيانغ التكنولوجية. وقد سمح هذا الفهم النظري المحسّن للباحثين باختيار زجاج سيليكات الألمنيوم لتغطية الجرمانيوم، على سبيل المثال. وكانت النتيجة أسلاك طويلة من أشباه الموصلات مغطاة بالزجاج بدون شقوق.

وفي المستقبل، يعتقد الباحثون أن هذه الألياف المغطاة بالزجاج يمكن أن تكون مفيدة في مجال الضوئيات. ومع ذلك، في البحث الحالي، قاموا بحفر الزجاج لترك أسلاك السيليكون أقل من 100 ميكرون. يقول وي: "بالنسبة للإلكترونيات، فإن أشباه الموصلات وحدها لن تكون فعالة، فنحن بحاجة إلى وصلات معدنية للتحدث مع أشباه الموصلات". ولذلك استخدموا عملية ذات درجة حرارة منخفضة لربط سلكين معدنيين مدمجين في بوليمر موصل بشبه الموصل ودمجوا الخيوط الثلاثة معًا في بوليمر عازل. وكانت النتيجة أليافًا إلكترونية ضوئية مرنة يمكن غزلها وتحويلها إلى خيط.

أنتج الفريق العديد من الأجهزة التي تحتوي على خيوط متشابكة في منسوجات أخرى. ومن الأمثلة على ذلك قبعة صغيرة يمكنها اكتشاف الضوء الصادر عن إشارة المرور وإصدار إشارة اهتزازية على الهاتف المحمول تشير إلى ما إذا كانت الإشارة حمراء أو خضراء. ويتصورون أن هذا يمكن أن يساعد الشخص ضعيف البصر. وكان آخر عبارة عن حزام ساعة ذكية يمكنه قياس إيقاع قلب الشخص.

يمكن أن يكون الترانزستور القابل للغسل هو التالي

كما أظهروا أن التكنولوجيا تتمتع بمرونة عملية. يقول Lei Wei: "نضع جهازنا في الغسالة... ويمكننا غسله عدة مرات، ويظل محتفظًا بأدائه الأصلي". ويحاول الباحثون الآن تصنيع ترانزستور داخل الألياف للسماح بدمج مباشر أكثر للدوائر الإلكترونية.

تم تطوير الألياف الضوئية ذات الوصلات المتكاملة لأشباه الموصلات

بالاتو متحمس للبحث. يقول: «أعرف هذه المجموعة منذ 15 عامًا، لذلك لا أفاجأ بتميز العمل؛ "لقد تمكنوا من أخذ هذه المفاهيم المهمة، ولكن الأكاديمية إلى حد ما، وتقليصها إلى ممارسة بطريقة مفيدة ومهمة للغاية للتحقق من قابلية توسيع الألياف نفسها."

لقد أعجب كثيرًا بقدرة الفريق على دمج المواد التي تتطلب ظروف معالجة مختلفة في هيكل واحد. ويقول: "بفضل مجموعة الأدوات الجديدة هذه، يتفوقون على الجميع في القدرة على استخدامها لتطوير أجهزة عملية ووظيفية".

"هذا أمر مثير للغاية - كان جون [بادينج] سيشعر بسعادة غامرة لرؤية هذا!" يقول جوبالان. وهو يعتقد أن هذه التقنية تظهر وعدًا حقيقيًا في مجال الاستشعار والتصوير، على الرغم من أنه يقول إن الألياف الحالية ستكون سميكة للغاية بحيث لا يمكن استخدامها عمليًا في نقل الإشارة، ويشتبه في أن عملية القلب المنصهر قد لا تكون قادرة على إنتاج ألياف رفيعة ونقية بما فيه الكفاية لـ نقل الإشارات على الإطلاق. والخطوة التالية هي "توصيف الخصائص الإلكترونية والبصرية الأساسية لهذه الألياف بشكل دقيق"، كما يقول: "سيحدد ذلك أين يمكن أن تكمن التطبيقات".

يتم وصف عملية التصنيع في الطبيعة.

• محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
• أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
• أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
• أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
• المصدر https://physicsworld.com/a/semiconductor-fibres-are-fracture-free-and-glass-clad/