Halvlederfibre er bruddfrie og glasskledde – Physics World

Halvlederfibre er bruddfrie og glasskledde – Physics World

Tidsstempel: 6. februar 2024 11:37

Halvlederfibre
Endelig: en spole som inneholder hundrevis av meter av halvlederfiberen sammen med noen preformer etter produksjonsprosessen. (Med tillatelse: Zhixun Wang)

Ultralange, bruddfrie halvlederfibre har blitt produsert inne i glasskledning av forskere i Singapore og Kina. Ved å etse av glasset og erstatte det med en fleksibel polymerkappe innebygd med metalltråder, klarte forskerne å produsere mikroskalafibre som kunne spinnes til tekstiler. Arbeidet, som bygger på en langvarig søken etter å produsere fiberbasert elektronikk, kan ha anvendelser innen smarte klær, medisinsk utstyr og potensielt innen fotonikk.

De første fibrene som inneholder en halvleder inne i optisk glass ble utviklet av kjemiker John Badding fra Pennsylvania State University i USA etter et sabbatsår ved University of Southampton i Storbritannia. Han brukte kjemisk dampavsetning under høyt trykk for å plassere forskjellige materialer inne i en optisk fiber med hul kjerne. «[Badding] kom til meg og sa: 'Er dette bra?' og jeg sa: "Du tuller med meg, dette er fantastisk!" og vi begynte å samarbeide, sier materialforsker og ingeniør Venkatraman Gopalan, også i Penn State. Teknikken ble imidlertid hemmet av den langsomme produksjonshastigheten til fibrene, og samarbeidet ble effektivt avsluttet etter Baddings plutselige død på 57 år i 2019.

i 2008 John Ballato ved Clemson University i South Carolina utviklet metoden med smeltet kjerne for å produsere optiske fibre av silisium og germanium. De to materialene varmes opp over deres smeltepunkt på over 1000 °C. Det smeltede silisiumet injiseres deretter i glasset mens det trekkes inn i en fiber, og når de to avkjøles, omgir det ene faste stoffet det andre. Denne metoden gjør det mulig å produsere titalls meter hvert minutt, og fibrene har vakt interesse for medisinske lasere, ikke-lineær optikk og diverse andre applikasjoner. Et problem er at forskjeller i de termiske ekspansjonskoeffisientene mellom halvlederen og glasset fører til at halvlederen sprekker når den avkjøles. Dette skaper optiske tap og gjør det umulig å fjerne glasset uten at fiberen faller fra hverandre.

Spennende ny studie

I det nye arbeidet gjennomførte forskere ved Nanyang Technological University i Singapore, Jilin University i Kina og andre steder en grundig studie av denne sprekken. "Vi jobbet med mekaniske eksperter som hjalp oss med å forklare hva nøkkelfaktorene er," sier Lei Wei ved Nanyang teknologiske universitet. Denne forbedrede teoretiske forståelsen gjorde det mulig for forskerne å velge aluminiumsilikatglass for å kle germanium, for eksempel. Resultatet ble lange halvledertråder innkapslet i glass uten sprekker.

I fremtiden tror forskerne at disse glasskledde fibrene kan være nyttige i fotonikk. I dette papiret etset de imidlertid av glasset for å la silisiumtrådene være mindre enn 100 mikron tykke. "For elektronikk vil ikke en halvleder alene fungere, vi må ha metallkontakter for å snakke med halvlederen," sier Wei. De brukte derfor en lavtemperaturprosess for å feste to metalltråder innebygd i en ledende polymer til halvlederen og innebygde de tre ledningene sammen i en isolerende polymer. Resultatet ble en fleksibel optoelektronisk fiber som kunne spinnes til et garn.

Teamet produserte flere enheter som inneholdt garnet deres vevd inn i andre tekstiler. Et eksempel var en luehatt som kunne oppdage lyset fra et trafikksignal og produsere et vibrasjonssignal på en mobiltelefon som indikerer om signalet var rødt eller grønt. Dette, ser de for seg, kan hjelpe en synshemmet person. En annen var en smartklokkerem som kunne måle en persons hjerterytme.

Vaskbar transistor kan være neste

De viste også at teknologien har en praktisk spenst. "Vi legger enheten vår i vaskemaskinen ... Vi kan vaske den flere ganger, og den beholder fortsatt sin opprinnelige ytelse," sier Lei Wei. Forskerne prøver nå å lage en transistor inne i fiberen for å tillate mer direkte inkorporering av elektroniske kretser.

Ballato er entusiastisk over forskningen. "Jeg har kjent denne gruppen i 15 år, så jeg er ikke overrasket over arbeidets fortreffelighet," sier han; "De har vært i stand til å ta disse viktige, men noe akademiske konseptene og redusere dem til praksis på en veldig nyttig og viktig måte som validerer skalerbarheten til selve fibrene."

Han er mest imponert over teamets evne til å kombinere materialer som krever ulike prosessforhold til en enkelt struktur. "Med dette nye verktøysettet er de foran alle andre i evnen til å bruke dem til å utvikle praktiske, funksjonelle enheter," sier han.

"Dette er veldig spennende - John [Badding] ville vært begeistret for å se dette!" sier Gopalan. Han mener at for sansing og bildebehandling viser teknikken virkelig lovende, selv om han sier at de nåværende fibrene ville være for tykke for praktisk bruk i signaloverføring, og mistenker at prosessen med smeltet kjerne kanskje ikke vil være i stand til å produsere tilstrekkelig rene, tynne fibre for signaloverføring i det hele tatt. Det neste trinnet er "å grundig karakterisere de grunnleggende elektroniske og optiske egenskapene til disse fibrene," sier han: "Det vil avgjøre hvor applikasjonene kan ligge."

Fremstillingsprosessen er beskrevet i Natur.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden