Halvlederfibre er brudfri og glasbeklædt – Physics World

Halvlederfibre er brudfri og glasbeklædt – Physics World

Tidsstempel: 6. februar 2024 kl. 11:37

Halvlederfibre
Langt om længe: en spole indeholdende hundredvis af meter af halvlederfiberen sammen med nogle præforme efter fremstillingsprocessen. (Med høflighed: Zhixun Wang)

Ultralange, brudfri halvlederfibre er blevet produceret inde i glasbeklædning af forskere i Singapore og Kina. Ved at ætse glasset af og erstatte det med en fleksibel polymerkappe indlejret med metalliske tråde, var forskerne i stand til at producere mikroskalafibre, der kunne spindes til tekstiler. Arbejdet, der bygger på en langvarig søgen efter at producere fiberbaseret elektronik, kan have anvendelser i smart beklædning, medicinsk udstyr og potentielt inden for fotonik.

De første fibre, der indeholdt en halvleder inde i optisk glas, blev udviklet af kemiker John Badding fra Pennsylvania State University i USA efter et sabbatår på University of Southampton i Storbritannien. Han brugte kemisk højtryksdampaflejring til at placere forskellige materialer inde i en optisk fiber med hul kerne. "[Badding] kom til mig og sagde: 'Er det her godt?' og jeg var ligesom, 'Du laver sjov med mig, det her er fantastisk!' og vi begyndte at samarbejde,” siger materialeforsker og ingeniør Venkatraman Gopalan, også i Penn State. Teknikken blev dog hæmmet af den langsomme produktionshastighed af fibrene, og samarbejdet sluttede effektivt efter Baddings pludselige død på 57 år i 2019.

I 2008 John Ballato fra Clemson University i South Carolina udviklede metoden med smeltet kerne til fremstilling af optiske fibre af silicium og germanium. De to materialer opvarmes til over deres smeltepunkter på over 1000 °C. Det smeltede silicium sprøjtes derefter ind i glasset, mens det trækkes ind i en fiber, og når de to afkøles, omgiver det ene faststof det andet. Denne metode gør det muligt at producere titusinder af meter hvert minut, og fibrene har tiltrukket sig interesse for medicinske lasere, ikke-lineær optik og forskellige andre applikationer. Et problem er, at forskelle i de termiske udvidelseskoefficienter mellem halvlederen og glasset får halvlederen til at knække, når den afkøles. Dette skaber optiske tab og gør det umuligt at fjerne glasset, uden at fiberen falder fra hinanden.

Spændende nyt studie

I det nye arbejde har forskere ved Nanyang Technological University i Singapore, Jilin University i Kina og andre steder gennemført en grundig undersøgelse af denne revnedannelse. "Vi arbejdede med mekaniske eksperter, som hjalp os med at forklare, hvad nøglefaktorerne er," siger Lei Wei fra Nanyang Teknologiske Universitet. Denne forbedrede teoretiske forståelse gjorde det muligt for forskerne at vælge aluminiumsilikatglas til for eksempel at beklæde germanium. Resultatet blev lange halvledertråde indkapslet i glas uden revner.

I fremtiden mener forskerne, at disse glasbeklædte fibre kan være nyttige i fotonik. I nærværende papir ætsede de imidlertid glasset af for at efterlade siliciumtrådene mindre end 100 mikron tykke. "For elektronik vil en halvleder alene ikke fungere, vi skal have metalkontakter for at tale med halvlederen," siger Wei. De brugte derfor en lavtemperaturproces til at fastgøre to metaltråde indlejret i en ledende polymer til halvlederen og indlejrede de tre ledninger sammen i en isolerende polymer. Resultatet var en fleksibel optoelektronisk fiber, der kunne spindes til et garn.

Holdet producerede flere enheder, der indeholdt deres garn sammenvævet i andre tekstiler. Et eksempel var en huehue, der kunne registrere lyset fra et trafiksignal og frembringe et vibrationssignal på en mobiltelefon, der indikerer, om signalet var rødt eller grønt. Dette, forestiller de sig, kunne hjælpe en synshandicappet person. En anden var en smartwatch-rem, der kunne måle en persons hjerterytme.

Vaskbar transistor kunne være den næste

De viste også, at teknologien har en praktisk robusthed. "Vi putter vores enhed i vaskemaskinen ... Vi kan vaske den flere gange, og den bevarer stadig sin oprindelige ydeevne," siger Lei Wei. Forskerne forsøger nu at fremstille en transistor inde i fiberen for at tillade mere direkte inkorporering af elektroniske kredsløb.

Ballato er begejstret for forskningen. "Jeg har kendt denne gruppe i 15 år, så jeg er ikke overrasket over arbejdets fortræffelighed," siger han; "De har været i stand til at tage disse vigtige, men noget akademiske koncepter og reducere dem til praksis på en meget nyttig og vigtig måde, der validerer skalerbarheden af ​​selve fibrene."

Han er mest imponeret over holdets evne til at kombinere materialer, der kræver forskellige forarbejdningsbetingelser, til en enkelt struktur. "Med dette nye værktøjssæt er de foran alle andre i evnen til at bruge dem til at udvikle praktiske, funktionelle enheder," siger han.

"Dette er meget spændende - John [Badding] ville have været begejstret for at se dette!" siger Gopalan. Han mener, at teknikken til sansning og billeddannelse viser virkelig lovende, selvom han siger, at de nuværende fibre ville være for tykke til praktisk brug i signaltransmission, og han har mistanke om, at processen med smeltet kerne måske ikke vil være i stand til at producere tilstrækkeligt rene, tynde fibre til signaloverførsel overhovedet. Det næste skridt er "at grundigt karakterisere de grundlæggende elektroniske og optiske egenskaber af disse fibre," siger han: "Det vil afgøre, hvor applikationerne kan ligge."

Fremstillingsprocessen er beskrevet i Natur.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden