เส้นใยเซมิคอนดักเตอร์ไม่มีการแตกหักและหุ้มด้วยแก้ว – Physics World

นักวิจัยในสิงคโปร์และจีนผลิตเส้นใยเซมิคอนดักเตอร์ที่ไม่มีการแตกหักที่มีความยาวเป็นพิเศษภายในกระจก ด้วยการกัดกระจกและแทนที่ด้วยปลอกโพลีเมอร์ยืดหยุ่นที่ฝังด้วยลวดโลหะ นักวิจัยจึงสามารถผลิตเส้นใยระดับไมโครที่สามารถปั่นเป็นสิ่งทอได้ งานนี้สร้างขึ้นจากภารกิจอันยาวนานในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ไฟเบอร์ โดยสามารถนำไปประยุกต์ใช้กับเสื้อผ้าอัจฉริยะ อุปกรณ์ทางการแพทย์ และอาจรวมถึงโฟโตนิกส์ด้วย

เส้นใยชุดแรกที่มีเซมิคอนดักเตอร์อยู่ภายในแก้วแสงได้รับการพัฒนาโดยนักเคมี John Badding จากมหาวิทยาลัยแห่งรัฐเพนซิลวาเนียในสหรัฐอเมริกา หลังจากเข้าร่วมโครงการที่มหาวิทยาลัย Southampton ในสหราชอาณาจักร เขาใช้การสะสมไอสารเคมีแรงดันสูงเพื่อวางวัสดุต่างๆ ไว้ภายในใยแก้วนำแสงแบบแกนกลวง “[Badding] มาหาฉันแล้วพูดว่า 'นี่มีอะไรดีหรือเปล่า?' และฉันก็แบบว่า 'คุณล้อเล่นนะ นี่มันสุดยอดมาก!' และเราเริ่มร่วมมือกัน” นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรด้านวัสดุกล่าว เวนกตรามัน โกปาลันของเพนน์สเตตด้วย อย่างไรก็ตาม เทคนิคดังกล่าวได้รับอุปสรรคเนื่องจากอัตราการผลิตเส้นใยที่ช้า และการทำงานร่วมกันสิ้นสุดลงอย่างมีประสิทธิภาพหลังจากที่ Badding เสียชีวิตอย่างกะทันหันที่อายุ 57 ปีในปี 2019

ใน 2008 จอห์น บัลลาโต ของมหาวิทยาลัย Clemson ในเซาท์แคโรไลนาได้พัฒนาวิธีแกนหลอมเหลวสำหรับการผลิตเส้นใยนำแสงของซิลิคอนและเจอร์เมเนียม วัสดุทั้งสองถูกให้ความร้อนเหนือจุดหลอมเหลวที่มากกว่า 1000 °C จากนั้นซิลิคอนที่หลอมละลายจะถูกฉีดเข้าไปในแก้วขณะที่มันถูกดึงเข้าไปในเส้นใย และในขณะที่ทั้งสองเย็นลง ของแข็งอันหนึ่งจะล้อมรอบอีกอันหนึ่ง วิธีการนี้ทำให้สามารถผลิตได้หลายสิบเมตรทุกๆ นาที และเส้นใยดังกล่าวดึงดูดความสนใจของเลเซอร์ทางการแพทย์ เลนส์ไม่เชิงเส้น และการใช้งานอื่นๆ มากมาย ปัญหาหนึ่งคือความแตกต่างของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนระหว่างเซมิคอนดักเตอร์และแก้วทำให้เซมิคอนดักเตอร์แตกหักเมื่อเย็นตัวลง สิ่งนี้ทำให้เกิดการสูญเสียการมองเห็นและทำให้ไม่สามารถถอดกระจกออกได้โดยไม่ทำให้เส้นใยแตกออกจากกัน

แคร็กการศึกษาใหม่

ในงานวิจัยชิ้นใหม่นี้ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยางในสิงคโปร์ มหาวิทยาลัยจี๋หลินในจีน และที่อื่นๆ ได้ทำการศึกษาอย่างละเอียดเกี่ยวกับการแตกร้าวนี้ “เราทำงานร่วมกับผู้เชี่ยวชาญด้านเครื่องกลที่ช่วยเราอธิบายว่าปัจจัยสำคัญคืออะไร” กล่าว เหวยเหว่ย ของมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีนันยาง ความเข้าใจทางทฤษฎีที่ดีขึ้นนี้ช่วยให้นักวิจัยสามารถเลือกแก้วอะลูมิโนซิลิเกตเพื่อหุ้มเจอร์เมเนียมได้ เป็นต้น ผลที่ได้คือสายไฟเซมิคอนดักเตอร์ยาวหุ้มอยู่ในแก้วโดยไม่มีรอยแตกร้าว

ในอนาคต นักวิจัยเชื่อว่าเส้นใยที่หุ้มด้วยแก้วเหล่านี้อาจมีประโยชน์ในด้านโฟโตนิกส์ อย่างไรก็ตาม ในรายงานฉบับนี้ พวกเขาได้แกะสลักกระจกเพื่อให้ลวดซิลิกอนมีความหนาน้อยกว่า 100 ไมครอน “สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เซมิคอนดักเตอร์เพียงอย่างเดียวจะไม่ทำงาน เราจำเป็นต้องมีหน้าสัมผัสที่เป็นโลหะเพื่อสื่อสารกับเซมิคอนดักเตอร์” Wei กล่าว ดังนั้นพวกเขาจึงใช้กระบวนการที่อุณหภูมิต่ำเพื่อยึดสายโลหะสองเส้นที่ฝังอยู่ในโพลีเมอร์นำไฟฟ้าเข้ากับเซมิคอนดักเตอร์ และฝังสายทั้งสามไว้ด้วยกันในโพลีเมอร์ฉนวน ผลลัพธ์ที่ได้คือเส้นใยออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นซึ่งสามารถปั่นเป็นเส้นด้ายได้

ทีมงานได้ผลิตอุปกรณ์หลายอย่างที่มีเส้นด้ายถักทอเป็นสิ่งทออื่นๆ ตัวอย่างหนึ่งคือหมวกบีนนี่ที่สามารถตรวจจับแสงจากสัญญาณไฟจราจรและสร้างสัญญาณสั่นสะเทือนบนโทรศัพท์มือถือเพื่อระบุว่าสัญญาณนั้นเป็นสีแดงหรือเขียว พวกเขาจินตนาการว่าสิ่งนี้สามารถช่วยผู้พิการทางสายตาได้ อีกอันคือสายนาฬิกาอัจฉริยะที่สามารถวัดจังหวะการเต้นของหัวใจของบุคคลได้

ทรานซิสเตอร์ที่ล้างทำความสะอาดได้อาจเป็นถัดไป

พวกเขายังแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีมีความยืดหยุ่นในทางปฏิบัติ “เราใส่อุปกรณ์ของเราลงในเครื่องซักผ้า…เราสามารถล้างมันได้หลายครั้งและยังคงประสิทธิภาพการทำงานดังเดิมไว้” Lei Wei กล่าว ขณะนี้นักวิจัยกำลังพยายามที่จะประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ภายในเส้นใยเพื่อให้สามารถรวมวงจรอิเล็กทรอนิกส์ได้โดยตรงมากขึ้น

พัฒนาเส้นใยนำแสงที่มีจุดเชื่อมต่อเซมิคอนดักเตอร์ในตัว

Ballato มีความกระตือรือร้นกับการวิจัยนี้ “ผมรู้จักกลุ่มนี้มา 15 ปีแล้ว ดังนั้นผมจึงไม่แปลกใจกับความเป็นเลิศของงานนี้” เขากล่าว “พวกเขาสามารถนำแนวคิดที่สำคัญแต่ค่อนข้างเป็นวิชาการเหล่านี้มาลดหย่อนลงเพื่อฝึกฝนในลักษณะที่มีประโยชน์และสำคัญมากซึ่งจะตรวจสอบความสามารถในการปรับขนาดของเส้นใยได้”

เขาประทับใจมากที่สุดกับความสามารถของทีมงานในการรวมวัสดุที่ต้องใช้เงื่อนไขการประมวลผลที่แตกต่างกันให้เป็นโครงสร้างเดียว “ด้วยชุดเครื่องมือใหม่นี้ พวกเขานำหน้าคนอื่นๆ ในด้านความสามารถในการใช้มันเพื่อพัฒนาอุปกรณ์ที่ใช้งานได้จริงและใช้งานได้จริง” เขากล่าว

“เรื่องนี้น่าตื่นเต้นมาก จอห์น [แบดดิ้ง] คงจะตื่นเต้นมากที่ได้เห็นสิ่งนี้!” โกปาลันกล่าว เขาเชื่อว่าสำหรับการตรวจจับและการถ่ายภาพ เทคนิคนี้แสดงให้เห็นถึงความหวังที่แท้จริง แม้ว่าเขาจะบอกว่าเส้นใยในปัจจุบันจะหนาเกินไปสำหรับการใช้งานจริงในการส่งสัญญาณ และสงสัยว่ากระบวนการแกนหลอมเหลวอาจไม่สามารถสร้างเส้นใยที่บริสุทธิ์และบางได้เพียงพอสำหรับ การส่งสัญญาณได้เลย ขั้นตอนต่อไปคือ "การระบุคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงขั้นพื้นฐานของเส้นใยเหล่านี้อย่างละเอียด" เขากล่าว "นั่นจะเป็นตัวกำหนดว่าการใช้งานจะอยู่ที่ใด"

กระบวนการผลิตมีอธิบายไว้ใน ธรรมชาติ.

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai เพิ่มพลังให้กับตัวเอง เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตไอสตรีม. Web3 อัจฉริยะ ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตESG. คาร์บอน, คลีนเทค, พลังงาน, สิ่งแวดล้อม แสงอาทิตย์, การจัดการของเสีย. เข้าถึงได้ที่นี่.
• เพลโตสุขภาพ เทคโนโลยีชีวภาพและข่าวกรองการทดลองทางคลินิก เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://physicsworld.com/a/semiconductor-fibres-are-fracture-free-and-glass-clad/