半導体ファイバーは破損がなく、ガラスで覆われています – Physics World

超長の破損のない半導体ファイバーが、シンガポールと中国の研究者によってガラスクラッド内に製造されました。ガラスをエッチングして取り除き、金属線が埋め込まれた柔軟なポリマーの鞘に置き換えることで、研究者らは繊維に紡ぐことができるマイクロスケールの繊維を生成することができた。この研究は、ファイバーベースのエレクトロニクスを製造するという長年の探求に基づいており、スマート衣類、医療機器、そして潜在的にはフォトニクスに応用できる可能性がある。

光学ガラス内に半導体を含む最初のファイバーは、英国のサウサンプトン大学でサバティカル休暇を取得した後、米国のペンシルベニア州立大学の化学者ジョン・バディングによって開発されました。彼は高圧化学気相成長法を使用して、中空コアの光ファイバー内にさまざまな材料を配置しました。 「（バディングが）私のところに来て、『これでいいのか？』と言いました」そして私は「冗談でしょ、これはすごい！」と思った。そして私たちは協力を始めました」と材料科学者兼エンジニアは言います ヴェンカトラマン・ゴパラン、同じくペンシルバニア州立大学出身。しかし、この技術は繊維の生産速度の遅さによって妨げられ、57年にバディング氏が2019歳で急死した後、コラボレーションは事実上終了した。

１９４８年にAchille Gaggiaがレバー式のエスプレッソマシンを発明したことにより、現在のエスプレッソが誕生しました。 Gaggiaの発明したエスプレッソマシンは、それ以前に作られてきたマシンより数倍の圧力が出せるため、濃度が何倍も濃いエスプレッソを淹れられました。また圧力が増したことで、エスプレッソに初めてクレマが現れました。このクレマはお客様にたいへん喜ばれ、今ではエスプレッソにクレマは欠かせません。 ジョン・バラート サウスカロライナ州クレムソン大学の教授は、シリコンとゲルマニウムの光ファイバーを製造するための溶融コア法を開発した。 1000 つの材料は XNUMX °C 以上の融点を超えて加熱されます。次に、溶融シリコンが繊維に引き込まれるときにガラスに注入され、XNUMX つの固体が冷えると、一方の固体が他方の固体を取り囲みます。この方法により毎分数十メートルの生産が可能となり、このファイバーは医療レーザー、非線形光学、その他のさまざまな用途で注目を集めています。問題の XNUMX つは、半導体とガラスの熱膨張係数の違いにより、冷却時に半導体が破損することです。これにより光学的損失が発生し、ファイバーがばらばらにならなければガラスを取り外すことができなくなります。

新しい研究を解明する

新しい研究では、シンガポールの南洋理工大学、中国の吉林大学などの研究者らがこの亀裂について徹底的な研究を行った。 「私たちは機械の専門家と協力して、重要な要素が何であるかを説明するのに協力してくれました」と氏は言います。 レイウェイ 南洋理工大学の博士。この理論的理解の向上により、研究者らは、たとえばゲルマニウムをクラッドするアルミノケイ酸塩ガラスを選択できるようになりました。その結果、亀裂のないガラスに包まれた長い半導体ワイヤーが完成しました。

将来的には、これらのガラス被覆ファイバーがフォトニクスに役立つ可能性があると研究者らは考えている。しかし、本論文では、ガラスをエッチングして厚さ 100 ミクロン未満のシリコン ワイヤを残しました。 「エレクトロニクスの場合、半導体だけでは機能しません。半導体と通信するには金属接点が必要です」とウェイ氏は言います。そこで彼らは、低温プロセスを使用して、導電性ポリマーに埋め込まれたXNUMX本の金属ワイヤを半導体に取り付け、XNUMX本のリードをまとめて絶縁ポリマーに埋め込みました。その結果、糸に紡ぐことができる柔軟な光電子ファイバーが誕生しました。

チームは、糸を他の織物に織り込んだデバイスをいくつか作成しました。一例として、交通信号の光を検出し、信号が赤か青かを示す振動信号を携帯電話に発生させるビーニー帽がありました。これにより、視覚障害のある人を助けることができるのではないかと彼らは考えている。もう1つは、人の心拍リズムを測定できるスマートウォッチのストラップでした。

次はウォッシャブルトランジスタの可能性がある

彼らはまた、このテクノロジーが実用的な回復力を備えていることも示しました。 「私たちはデバイスを洗濯機に入れています。何度も洗っても、元の性能が維持されています」と Lei Wei 氏は言います。研究者らは現在、電子回路をより直接組み込むことを可能にするために、ファイバー内にトランジスタを作製しようとしている。

半導体接合を集積した光ファイバーを開発

バラート氏は研究に熱心です。 「私はこのグループのことを 15 年前から知っているので、作品の素晴らしさには驚きません」と彼は言います。 「彼らは、これらの重要だがやや学術的な概念を取り入れ、ファイバー自体の拡張性を検証する非常に有用かつ重要な方法で実践に落とし込むことができました。」

彼が最も感銘を受けたのは、異なる加工条件を必要とする材料を単一の構造に組み合わせるチームの能力です。 「この新しいツールキットを使用すると、実用的で機能的なデバイスを開発するために使用する能力において、彼らは他の誰よりも先を行っています」と彼は言います。

「これはとてもエキサイティングだ。ジョン（バディング）もこれを見たら大興奮しただろうね！」ゴパラン氏は言う。同氏は、この技術はセンシングやイメージングには本当に有望であると信じているが、現在のファイバーは実際に信号伝送に使用するには厚すぎるだろうと述べ、溶融炉心プロセスでは十分に純粋で薄いファイバーを製造できないのではないかと疑っている。信号伝達はまったくありません。次のステップは、「これらのファイバーの基本的な電子的および光学的特性を徹底的に特徴付けること」であり、「それによって、用途がどこにあるかが決まります。」と彼は言います。

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/semiconductor-fibres-are-fracture-free-and-glass-clad/