Polprevodniška vlakna so brez zlomov in so prevlečena s steklom – svet fizike

Raziskovalci v Singapurju in na Kitajskem so izdelali izjemno dolga polprevodniška vlakna brez zlomov znotraj steklene obloge. Z jedkanjem stekla in njegovo zamenjavo s prožnim polimernim plaščem, vdelanim s kovinskimi žicami, so raziskovalci lahko izdelali vlakna v mikroskopskem merilu, ki jih je mogoče spresti v tekstil. Delo, ki temelji na dolgoletnem prizadevanju za proizvodnjo elektronike na osnovi vlaken, bi lahko imelo aplikacije v pametnih oblačilih, medicinskih napravah in potencialno v fotoniki.

Prva vlakna, ki vsebujejo polprevodnik v optičnem steklu, je razvil kemik John Badding z državne univerze Pennsylvania v ZDA po dopustu na univerzi Southampton v Združenem kraljestvu. Za namestitev različnih materialov v optično vlakno z votlim jedrom je uporabil visokotlačno kemično naparjanje. »[Badding] je prišel k meni in rekel: 'Je to kaj dobrega?' in rekel sem si: 'Hecaš se, to je neverjetno!' in začeli smo sodelovati,« pravi znanstvenik in inženir materialov Venkatraman Gopalan, tudi Penn State. Vendar je bila tehnika ovirana zaradi počasne proizvodnje vlaken in sodelovanje se je dejansko končalo po nenadni smrti Baddinga pri 57 letih leta 2019.

V 2008 John Ballato Univerze Clemson v Južni Karolini je razvil metodo staljenega jedra za proizvodnjo optičnih vlaken iz silicija in germanija. Oba materiala se segrejeta nad svojim tališčem nad 1000 °C. Staljeni silicij se nato vbrizga v steklo, ko se vleče v vlakno, in ko se ohlajata, ena trdna snov obkroža drugo. Ta metoda omogoča proizvodnjo več deset metrov vsako minuto, vlakna pa so pritegnila zanimanje za medicinske laserje, nelinearno optiko in različne druge aplikacije. Ena težava je, da razlike v koeficientih toplotnega raztezanja med polprevodnikom in steklom povzročijo, da se polprevodnik med ohlajanjem zlomi. To ustvarja optične izgube in onemogoča odstranitev stekla, ne da bi vlakno razpadlo.

Razbijanje nove študije

V novem delu so raziskovalci na tehnološki univerzi Nanyang v Singapurju, univerzi Jilin na Kitajskem in drugod izvedli temeljito študijo tega pokanja. "Delali smo z mehanskimi strokovnjaki, ki so nam pomagali razložiti, kateri so ključni dejavniki," pravi Lei Wei Tehnološke univerze Nanyang. To izboljšano teoretično razumevanje je raziskovalcem omogočilo, da so na primer izbrali aluminosilikatno steklo za prevlečen germanij. Rezultat so bile dolge polprevodniške žice, obdane s steklom brez razpok.

Raziskovalci verjamejo, da bi bila ta steklena vlakna lahko v prihodnosti uporabna v fotoniki. V tem prispevku pa so jedkali steklo, da so silicijeve žice ostale debele manj kot 100 mikronov. »Za elektroniko samo polprevodnik ne bo deloval, za pogovor s polprevodnikom moramo imeti kovinske kontakte,« pravi Wei. Zato so uporabili nizkotemperaturni postopek za pritrditev dveh kovinskih žic, vdelanih v prevodni polimer, na polprevodnik in vdelane tri žice skupaj v izolacijski polimer. Rezultat je bilo prožno optoelektronsko vlakno, ki ga je bilo mogoče spresti v prejo.

Ekipa je izdelala več naprav, ki vsebujejo njihovo prejo, vpleteno v druge tekstilije. En primer je bila kapa s kapo, ki je lahko zaznala svetlobo prometnega signala in proizvedla vibrirajoči signal na mobilnem telefonu, ki je pokazal, ali je signal rdeč ali zelen. Predvidevajo, da bi to lahko pomagalo slabovidni osebi. Drugi je bil pas za pametno uro, ki je lahko meril človekov srčni ritem.

Naslednji bi lahko bil pralni tranzistor

Pokazali so tudi, da ima tehnologija praktično odpornost. »Našo napravo damo v pralni stroj ... Lahko jo operemo večkrat in še vedno ohranja prvotno zmogljivost,« pravi Lei Wei. Raziskovalci zdaj poskušajo izdelati tranzistor znotraj vlakna, da bi omogočili bolj neposredno vključitev elektronskega vezja.

Razvita optična vlakna z integriranimi polprevodniškimi spoji

Ballato je nad raziskavo navdušen. »To skupino poznam že 15 let, zato nisem presenečen nad odličnostjo dela,« pravi; "Te pomembne, a nekoliko akademske koncepte jim je uspelo prenesti v prakso na zelo uporaben in pomemben način, ki potrjuje razširljivost samih vlaken."

Najbolj ga navdušuje sposobnost ekipe, da združi materiale, ki zahtevajo različne pogoje obdelave, v eno samo strukturo. »S tem novim naborom orodij so pred vsemi drugimi v sposobnosti, da jih uporabijo za razvoj praktičnih, funkcionalnih naprav,« pravi.

"To je zelo razburljivo - John [Badding] bi bil navdušen, če bi to videl!" pravi Gopalan. Verjame, da je tehnika resnično obetavna za zaznavanje in slikanje, čeprav pravi, da bi bila sedanja vlakna predebela za praktično uporabo pri prenosu signala, in sumi, da proces staljenega jedra morda ne bi mogel proizvesti dovolj čistih, tankih vlaken za prenos signala sploh. Naslednji korak je "temeljita opredelitev osnovnih elektronskih in optičnih lastnosti teh vlaken," pravi: "To bo določilo, kje so lahko aplikacije."

Postopek izdelave je opisan v Narava.

• Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
• PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
• PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
• vir: https://physicsworld.com/a/semiconductor-fibres-are-fracture-free-and-glass-clad/