Włókna półprzewodnikowe są wolne od pęknięć i pokryte szkłem – Świat Fizyki

Naukowcy z Singapuru i Chin wyprodukowali ultradługie, pozbawione pęknięć włókna półprzewodnikowe wewnątrz szklanej okładziny. Wytrawiając szkło i zastępując je elastyczną powłoką polimerową osadzoną w metalowych drutach, badaczom udało się wyprodukować włókna w mikroskali, które można było przędzić na tekstylia. Prace, które opierają się na długotrwałych poszukiwaniach elektroniki opartej na włóknach, mogą mieć zastosowanie w inteligentnej odzieży, urządzeniach medycznych i potencjalnie w fotonice.

Pierwsze włókna zawierające półprzewodnik wewnątrz szkła optycznego zostały opracowane przez chemika Johna Baddinga z Uniwersytetu Stanowego Pensylwanii w USA po urlopie naukowym na Uniwersytecie w Southampton w Wielkiej Brytanii. Zastosował wysokociśnieniowe chemiczne osadzanie z fazy gazowej, aby umieścić różne materiały wewnątrz światłowodu z pustym rdzeniem. „[Badding] przyszedł do mnie i zapytał: «Czy to coś dobrego?» a ja na to: „Żartujesz, to jest niesamowite!”. i rozpoczęliśmy współpracę” – mówi materiałoznawca i inżynier Venkatramana Gopalana, także z Penn State. Technikę tę utrudniało jednak powolne tempo produkcji włókien, a współpraca skutecznie zakończyła się po nagłej śmierci Baddinga w 57 r. w wieku 2019 lat.

W 2008 Johna Ballato z Clemson University w Południowej Karolinie opracowali metodę stopionego rdzenia do produkcji włókien optycznych z krzemu i germanu. Obydwa materiały podgrzewa się powyżej ich temperatury topnienia wynoszącej ponad 1000°C. Stopiony krzem jest następnie wtryskiwany do szkła podczas jego wciągania we włókno, a gdy oba elementy ochładzają się, jedno ciało stałe otacza drugie. Metoda ta pozwala na wyprodukowanie kilkudziesięciu metrów na minutę, a włókna cieszą się zainteresowaniem w laserach medycznych, optyce nieliniowej i wielu innych zastosowaniach. Jednym z problemów jest to, że różnice we współczynnikach rozszerzalności cieplnej pomiędzy półprzewodnikiem a szkłem powodują pękanie półprzewodnika podczas chłodzenia. Powoduje to straty optyczne i uniemożliwia usunięcie szkła bez rozpadania się włókna.

Nowe, przełomowe badanie

W ramach nowej pracy naukowcy z Uniwersytetu Technologicznego Nanyang w Singapurze, Uniwersytetu Jilin w Chinach i innych ośrodków przeprowadzili dokładne badania tego pękania. „Współpracowaliśmy z ekspertami w dziedzinie mechaniki, którzy pomogli nam wyjaśnić kluczowe czynniki” – mówi Lei Wei Uniwersytetu Technologicznego w Nanyang. Dzięki temu lepszemu zrozumieniu teoretycznemu badacze mogli na przykład wybrać szkło glinokrzemianowe do platerowania germanu. Rezultatem były długie przewody półprzewodnikowe zamknięte w szkle bez pęknięć.

Naukowcy uważają, że te włókna pokryte szkłem mogą w przyszłości znaleźć zastosowanie w fotonice. Jednakże w niniejszym artykule wytrawiono szkło, pozostawiając druty krzemowe o grubości mniejszej niż 100 mikronów. „W przypadku elektroniki sam półprzewodnik nie będzie działać. Musimy mieć metalowe styki, aby móc komunikować się z półprzewodnikiem” – mówi Wei. Dlatego wykorzystali proces niskotemperaturowy do przymocowania dwóch metalowych drutów osadzonych w przewodzącym polimerze do półprzewodnika i osadzili te trzy przewody razem w polimerze izolacyjnym. W rezultacie powstało elastyczne włókno optoelektroniczne, z którego można było przędzić przędzę.

Zespół wyprodukował kilka urządzeń zawierających przędzę wplecioną w inne tekstylia. Jednym z przykładów była czapka beanie, która mogła wykryć światło sygnalizacji świetlnej i wygenerować sygnał wibracyjny na telefonie komórkowym, wskazując, czy sygnał jest czerwony, czy zielony. Ich zdaniem może to pomóc osobie niedowidzącej. Innym był pasek do smartwatcha, który mógł mierzyć rytm serca danej osoby.

Następny może być zmywalny tranzystor

Wykazano również, że technologia ta charakteryzuje się praktyczną odpornością. „Wkładamy nasze urządzenie do pralki… Możemy je prać wielokrotnie, a mimo to zachowuje swoje pierwotne działanie” – mówi Lei Wei. Naukowcy próbują obecnie wyprodukować tranzystor wewnątrz światłowodu, aby umożliwić bardziej bezpośrednie włączenie obwodów elektronicznych.

Opracowano światłowody ze zintegrowanymi złączami półprzewodnikowymi

Ballato jest entuzjastycznie nastawiony do badań. „Znam tę grupę od 15 lat, więc nie jestem zaskoczony doskonałością pracy” – mówi; „Byli w stanie wykorzystać te ważne, choć nieco akademickie koncepcje, i zastosować je w praktyce w bardzo użyteczny i ważny sposób, który potwierdza skalowalność samych włókien”.

Największe wrażenie robi na nim umiejętność łączenia w jedną strukturę materiałów wymagających różnych warunków przetwarzania. „Dzięki temu nowemu zestawowi narzędzi wyprzedzają wszystkich innych pod względem możliwości wykorzystania ich do opracowywania praktycznych i funkcjonalnych urządzeń” – mówi.

„To bardzo ekscytujące – John [Badding] byłby zachwycony, gdyby to zobaczył!” mówi Gopalan. Uważa on, że technika ta jest naprawdę obiecująca w zakresie wykrywania i obrazowania, chociaż twierdzi, że obecne włókna byłyby zbyt grube, aby można je było zastosować w praktyce w transmisji sygnału, i podejrzewa, że ​​proces stopionego rdzenia może nie pozwolić na wytworzenie wystarczająco czystych, cienkich włókien do w ogóle transmisja sygnału. Następnym krokiem jest „dokładne scharakteryzowanie podstawowych właściwości elektronicznych i optycznych tych włókien” – mówi: „To określi, gdzie mogą znajdować się zastosowania”.

Proces wytwarzania opisano w Natura.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/semiconductor-fibres-are-fracture-free-and-glass-clad/