Напівпровідникові волокна не мають тріщин і покриті склом – Physics World

Дослідники в Сінгапурі та Китаї виготовили наддовгі напівпровідникові волокна без тріщин всередині скляної оболонки. Витравивши скло та замінивши його гнучкою полімерною оболонкою, вбудованою в металеві дроти, дослідники змогли виготовити мікроволокна, які можна прясти в текстиль. Робота, яка базується на довготривалих пошуках виробництва електроніки на основі волокна, може знайти застосування в розумному одязі, медичних пристроях і, можливо, у фотоніці.

Перші волокна, що містять напівпровідник всередині оптичного скла, були розроблені хіміком Джоном Баддінгом з Університету штату Пенсільванія в США після творчої відпустки в Університеті Саутгемптона у Великобританії. Він використав хімічне осадження з парової фази під високим тиском, щоб помістити різні матеріали всередину оптичного волокна з порожнистим сердечником. «[Баддінг] підійшов до мене і сказав: «Це добре?» і я сказав: "Ви жартуєте, це чудово!" і ми почали співпрацювати», — розповідає матеріалознавець та інженер Венкатраман Гопалан, також штат Пенсильванія. Однак ця техніка була перешкоджана повільною швидкістю виробництва волокон, і співпраця фактично припинилася після раптової смерті Баддінга у віці 57 років у 2019 році.

У 2008 Джон Баллато з Університету Клемсона в Південній Кароліні розробив метод розплавленого сердечника для виробництва оптичних волокон із кремнію та германію. Обидва матеріали нагріваються вище точки плавлення понад 1000 °C. Потім розплавлений кремній вводять у скло, коли він втягується у волокно, і коли обидва охолоджуються, одна тверда речовина оточує іншу. Цей метод дозволяє виробляти десятки метрів щохвилини, і волокна викликають інтерес для медичних лазерів, нелінійної оптики та інших застосувань. Одна з проблем полягає в тому, що відмінності в коефіцієнтах теплового розширення між напівпровідником і склом викликають руйнування напівпровідника під час його охолодження. Це створює оптичні втрати і унеможливлює зняття скла без розпаду волокна.

Злом нового дослідження

У новій роботі дослідники з Наньянського технологічного університету в Сінгапурі, Цзіліньського університету в Китаї та інших країн провели ретельне дослідження цього крекінгу. «Ми працювали з експертами з механіки, які допомогли нам пояснити ключові фактори», — каже Лей Вей Наньянського технологічного університету. Це покращене теоретичне розуміння дозволило дослідникам вибрати, наприклад, алюмосилікатне скло для покриття германієм. Результатом стали довгі напівпровідникові дроти, укладені в скло без тріщин.

Дослідники вважають, що в майбутньому ці скляні волокна можуть бути корисними у фотоніці. Однак у цій статті вони витравили скло, щоб залишити кремнієві дроти товщиною менше 100 мікрон. «Для електроніки один напівпровідник не працюватиме, нам потрібні металеві контакти, щоб спілкуватися з напівпровідником», — каже Вей. Тому вони використовували низькотемпературний процес, щоб приєднати два металеві дроти, вмонтовані в провідний полімер, до напівпровідника, а три проводи разом вставили в ізоляційний полімер. Результатом стало гнучке оптоелектронне волокно, яке можна було сплести в пряжу.

Команда виготовила кілька пристроїв, у яких їхня пряжа була вплетена в інший текстиль. Одним із прикладів була шапка-біні, яка могла виявляти світло від сигналу світлофора та виробляти вібраційний сигнал на мобільному телефоні, який показував, червоний чи зелений сигнал. На їхню думку, це може допомогти людині з вадами зору. Іншим був ремінець для розумного годинника, який міг вимірювати серцевий ритм людини.

Наступним може бути миючий транзистор

Вони також показали, що технологія має практичну стійкість. «Ми кладемо наш пристрій у пральну машину… Ми можемо прати його кілька разів, і він все ще зберігає свою початкову продуктивність», — каже Лей Вей. Зараз дослідники намагаються виготовити транзистор всередині волокна, щоб забезпечити більш пряме включення електронних схем.

Розроблено оптичні волокна з інтегрованими напівпровідниковими переходами

Баллато в захваті від дослідження. «Я знаю цю групу 15 років, тому я не здивований досконалістю роботи», — каже він; «Їм вдалося взяти ці важливі, але дещо академічні концепції, і звести їх до практики дуже корисним і важливим способом, який підтверджує масштабованість самих волокон».

Найбільше його вразило вміння команди поєднувати в єдину структуру матеріали, які потребують різних умов обробки. «Завдяки цьому новому інструментарію вони випереджають усіх у здатності використовувати їх для розробки практичних функціональних пристроїв», — каже він.

«Це дуже захоплююче – Джон [Баддінг] був би в захваті, якби це побачив!» каже Гопалан. Він вважає, що для зондування та візуалізації ця техніка є справжньою перспективою, хоча він каже, що нинішні волокна були б занадто товстими для практичного використання в передачі сигналу, і підозрює, що процес розплавленого ядра може не виробляти достатньо чисті тонкі волокна для передача сигналу взагалі. Наступним кроком є ​​«ретельна характеристика основних електронних і оптичних властивостей цих волокон», каже він: «Це визначить, де можуть лежати застосування».

Процес виготовлення описано в природа.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/semiconductor-fibres-are-fracture-free-and-glass-clad/