A félvezető szálak törésmentesek és üvegborításúak – Physics World

A félvezető szálak törésmentesek és üvegborításúak – Physics World

Időbélyeg: 6. február 2024. 11:37

Félvezető szálak
Végre: egy orsó, amely több száz méternyi félvezető szálat és néhány előformát tartalmaz a gyártási folyamat után. (Jó: Zhixun Wang)

Szingapúri és kínai kutatók ultrahosszú, törésmentes félvezető szálakat állítottak elő üvegburkolaton belül. Az üveg lemaratásával és fémhuzalokkal beágyazott rugalmas polimer burkolattal való helyettesítésével a kutatók mikroméretű szálakat tudtak előállítani, amelyeket textíliává lehetett fonni. A szál alapú elektronika gyártására irányuló régóta fennálló törekvésre épülő munka okosruházatban, orvosi eszközökben és potenciálisan fotonikában is alkalmazható.

Az első optikai üvegben félvezetőt tartalmazó szálakat John Badding kémikus, az Egyesült Államok Pennsylvania Állami Egyeteméről fejlesztette ki a Southamptoni Egyetemen (Egyesült Királyság) megtartott szabi után. Nagynyomású kémiai gőzleválasztást alkalmazott, hogy különféle anyagokat helyezzen el egy üreges optikai szálon belül. „[Badding] odajött hozzám, és azt kérdezte: „Jó ez?” és azt mondtam, hogy "Te viccelsz, ez csodálatos!" és elkezdtünk együttműködni” – mondja anyagtudós és mérnök Venkatraman Gopalan, szintén Penn State. A technikát azonban megnehezítette a szálak lassú előállítása, és az együttműködés gyakorlatilag véget ért Badding 57 éves 2019-es hirtelen halála után.

in 2008 John Ballato A dél-karolinai Clemson Egyetem munkatársa kifejlesztette az olvadt magos módszert szilícium és germánium optikai szálak előállítására. A két anyagot 1000 °C feletti olvadáspontjuk fölé hevítik. Az olvadt szilíciumot ezután befecskendezik az üvegbe, miközben egy szálba húzzák, és amikor a kettő lehűl, az egyik szilárd anyag körülveszi a másikat. Ezzel a módszerrel percenként több tíz métert lehet legyártani, és a szálak felkeltették az érdeklődést az orvosi lézerek, a nemlineáris optika és számos egyéb alkalmazás iránt. Az egyik probléma az, hogy a félvezető és az üveg közötti hőtágulási együtthatók különbségei a félvezető törését okozzák, amikor lehűl. Ez optikai veszteséget okoz, és lehetetlenné teszi az üveg eltávolítását anélkül, hogy a szál szétesne.

Feltörő új tanulmány

Az új munkában a szingapúri Nanyang Technological University, a kínai Jilin Egyetem és másutt kutatók alaposan tanulmányozták ezt a repedést. „Mechanikai szakértőkkel dolgoztunk együtt, akik segítettek elmagyarázni, melyek a kulcstényezők” – mondja Lei Wei a Nanyang Műszaki Egyetemen. Ez a jobb elméleti megértés lehetővé tette a kutatók számára, hogy alumínium-szilikát üveget válasszanak például germánium borítására. Az eredmény hosszú, üvegbe burkolt félvezető vezetékek lettek repedés nélkül.

A jövőben a kutatók úgy vélik, hogy ezek az üveggel bevont szálak hasznosak lehetnek a fotonikában. A jelen cikkben azonban lemaratták az üveget, hogy a szilíciumhuzalok vastagsága 100 mikronnál kisebb legyen. „Az elektronika esetében a félvezető önmagában nem működik, fém érintkezőkre van szükségünk, hogy beszélhessünk a félvezetővel” – mondja Wei. Ezért alacsony hőmérsékletű eljárást alkalmaztak két, vezetőképes polimerbe ágyazott fémhuzal rögzítésére a félvezetőhöz, és a három vezetéket egymásba ágyazták egy szigetelő polimerbe. Az eredmény egy rugalmas optoelektronikai szál, amelyet fonallá lehetett fonni.

A csapat számos olyan eszközt készített, amelyek fonalát más textíliákba szőtték. Az egyik példa volt egy sapka, amely képes érzékelni a közlekedési jelzés fényét, és vibrációs jelet kelt a mobiltelefonon, jelezve, hogy a jelzés piros vagy zöld. Ez szerintük egy látássérült embernek segíthet. A másik egy okosóra szíj volt, amely képes mérni az ember szívritmust.

A mosható tranzisztor következhet

Azt is megmutatták, hogy a technológia gyakorlati ellenálló képességgel rendelkezik. „Betesszük a készülékünket a mosógépbe... Többször is moshatjuk, és továbbra is megőrzi eredeti teljesítményét” – mondja Lei Wei. A kutatók most egy tranzisztort próbálnak előállítani a szálon belül, hogy lehetővé tegye az elektronikus áramkörök közvetlenebb beépítését.

Ballato lelkesedik a kutatásért. „15 éve ismerem ezt a csoportot, így nem lep meg a munka kiválósága” – mondja; „Képesek voltak átvenni ezeket a fontos, de némileg akadémikus fogalmakat, és gyakorlatba redukálni őket egy nagyon hasznos és fontos módon, ami igazolja maguknak a szálak méretezhetőségét.”

A legjobban az nyűgözi le, hogy a csapat képes a különböző feldolgozási körülményeket igénylő anyagokat egyetlen szerkezetbe egyesíteni. „Ezzel az új eszközkészlettel mindenkit megelőznek abban a képességben, hogy praktikus, funkcionális eszközök fejlesztésére használják őket” – mondja.

„Ez nagyon izgalmas – John [Badding] nagyon izgatott lett volna, ha ezt látja!” mondja Gopalan. Úgy véli, hogy az érzékelés és a képalkotás szempontjából a technika valós ígéretet mutat, bár szerinte a jelenlegi szálak túl vastagok lennének a gyakorlati jelátvitelhez, és gyanítja, hogy az olvadt magfolyamat esetleg nem képes kellően tiszta, vékony szálakat előállítani. egyáltalán a jelátvitel. A következő lépés „e szálak alapvető elektronikus és optikai tulajdonságainak alapos jellemzése” – mondja: „Ez határozza meg, hogy hol lehetnek az alkalmazások”.

A gyártási folyamat leírása a Természet.

Időbélyeg:

Még több Fizika Világa