Fibras semicondutoras são livres de fraturas e revestidas de vidro – Physics World

Fibras semicondutoras ultralongas e livres de fraturas foram produzidas dentro de revestimentos de vidro por pesquisadores em Cingapura e na China. Ao gravar o vidro e substituí-lo por uma bainha de polímero flexível embutida com fios metálicos, os pesquisadores conseguiram produzir fibras em microescala que poderiam ser transformadas em têxteis. O trabalho, que se baseia numa busca de longa data para produzir produtos eletrónicos baseados em fibras, poderá ter aplicações em vestuário inteligente, dispositivos médicos e, potencialmente, em fotónica.

As primeiras fibras contendo um semicondutor dentro do vidro óptico foram desenvolvidas pelo químico John Badding, da Universidade Estadual da Pensilvânia, nos EUA, após um período sabático na Universidade de Southampton, no Reino Unido. Ele usou deposição química de vapor de alta pressão para colocar vários materiais dentro de uma fibra óptica de núcleo oco. “[Badding] veio até mim e disse: 'Isso é bom?' e eu pensei, 'Você está brincando comigo, isso é incrível!' e começamos a colaborar”, diz cientista e engenheiro de materiais Venkatraman Gopalan, também da Penn State. A técnica foi prejudicada pela lenta taxa de produção das fibras, no entanto, e a colaboração terminou efetivamente após a morte repentina de Badding, aos 57 anos, em 2019.

Em 2008 John Ballato da Clemson University, na Carolina do Sul, desenvolveu o método de núcleo fundido para produzir fibras ópticas de silício e germânio. Os dois materiais são aquecidos acima dos seus pontos de fusão superiores a 1000 °C. O silício fundido é então injetado no vidro à medida que é transformado em uma fibra e, à medida que os dois esfriam, um sólido envolve o outro. Este método permite a produção de dezenas de metros a cada minuto, e as fibras têm atraído interesse para lasers médicos, óptica não linear e diversas outras aplicações. Um problema é que as diferenças nos coeficientes de expansão térmica entre o semicondutor e o vidro causam a fratura do semicondutor à medida que esfria. Isto cria perdas ópticas e impossibilita a remoção do vidro sem que a fibra se quebre.

Decifrando novo estudo

No novo trabalho, pesquisadores da Universidade Tecnológica de Nanyang em Cingapura, da Universidade de Jilin na China e de outros lugares conduziram um estudo aprofundado dessas fissuras. “Trabalhamos com especialistas mecânicos que nos ajudaram a explicar quais são os fatores-chave”, diz Lei Wei da Universidade Tecnológica de Nanyang. Essa melhor compreensão teórica permitiu aos pesquisadores escolher o vidro de aluminossilicato para revestir o germânio, por exemplo. O resultado foram longos fios semicondutores envoltos em vidro sem rachaduras.

No futuro, os pesquisadores acreditam que essas fibras revestidas de vidro poderão ser úteis em fotônica. No presente artigo, entretanto, eles gravaram o vidro para deixar os fios de silício com menos de 100 mícrons de espessura. “Para a eletrônica, um semicondutor sozinho não funciona, precisamos de contatos metálicos para conversar com o semicondutor”, diz Wei. Eles, portanto, usaram um processo de baixa temperatura para conectar dois fios de metal embutidos em um polímero condutor ao semicondutor e embutiram os três fios juntos em um polímero isolante. O resultado foi uma fibra optoeletrônica flexível que poderia ser transformada em um fio.

A equipe produziu vários dispositivos contendo seus fios entrelaçados em outros tecidos. Um exemplo foi um gorro que poderia detectar a luz de um semáforo e produzir um sinal vibratório em um telefone celular indicando se o sinal era vermelho ou verde. Eles imaginam que isso poderia ajudar uma pessoa com deficiência visual. Outra era uma pulseira smartwatch que podia medir o ritmo cardíaco de uma pessoa.

Transistor lavável pode ser o próximo

Eles também mostraram que a tecnologia tem resiliência prática. “Colocamos nosso aparelho na máquina de lavar… Podemos lavá-lo várias vezes e ele ainda mantém seu desempenho original”, diz Lei Wei. Os pesquisadores estão agora tentando fabricar um transistor dentro da fibra para permitir a incorporação mais direta de circuitos eletrônicos.

Fibras ópticas com junções semicondutoras integradas desenvolvidas

Ballato está entusiasmado com a pesquisa. “Conheço esse grupo há 15 anos, então não me surpreende a excelência do trabalho”, afirma; “Eles conseguiram pegar esses conceitos importantes, mas um tanto acadêmicos, e colocá-los na prática de uma forma muito útil e importante que valida a escalabilidade das próprias fibras.”

Ele está muito impressionado com a capacidade da equipe de combinar materiais que exigem diferentes condições de processamento em uma única estrutura. “Com este novo kit de ferramentas, eles estão à frente de todos na capacidade de usá-los para desenvolver dispositivos práticos e funcionais”, afirma.

“Isso é muito emocionante – John [Badding] teria ficado emocionado em ver isso!” diz Gopalan. Ele acredita que, para detecção e geração de imagens, a técnica se mostra realmente promissora, embora diga que as fibras atuais seriam muito espessas para uso prático na transmissão de sinais, e suspeita que o processo de núcleo fundido pode não ser capaz de produzir fibras finas e suficientemente puras para transmissão de sinal em tudo. O próximo passo é “caracterizar minuciosamente as propriedades eletrônicas e ópticas básicas dessas fibras”, diz ele: “Isso determinará onde podem estar as aplicações”.

O processo de fabricação é descrito em Natureza.

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