Sợi bán dẫn không bị gãy và được bọc thủy tinh – Vật lý Thế giới

Sợi bán dẫn không bị gãy và được bọc thủy tinh – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: ngày 6 tháng 2024 năm 11 37:XNUMX sáng

Sợi bán dẫn
Cuối cùng: một cuộn chỉ chứa hàng trăm mét sợi bán dẫn cùng với một số phôi sau quá trình sản xuất. (Lịch sự: Zhixun Wang)

Các sợi bán dẫn siêu dài, không bị gãy đã được các nhà nghiên cứu ở Singapore và Trung Quốc sản xuất bên trong tấm ốp thủy tinh. Bằng cách khắc thủy tinh và thay thế nó bằng một vỏ bọc polymer linh hoạt được gắn dây kim loại, các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra các loại sợi siêu nhỏ có thể kéo thành vải dệt. Công trình này được xây dựng dựa trên nỗ lực lâu dài nhằm sản xuất các thiết bị điện tử dựa trên sợi quang, có thể có ứng dụng trong quần áo thông minh, thiết bị y tế và có khả năng là trong quang tử học.

Những sợi đầu tiên chứa chất bán dẫn bên trong kính quang học được phát triển bởi nhà hóa học John Badding thuộc Đại học bang Pennsylvania ở Mỹ sau kỳ nghỉ phép tại Đại học Southampton ở Anh. Ông đã sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học ở áp suất cao để đặt nhiều loại vật liệu khác nhau vào bên trong sợi quang lõi rỗng. “[Badding] đến gặp tôi và nói, 'Cái này có tốt không?' và tôi đã nghĩ, 'Bạn đang đùa tôi à, điều này thật tuyệt vời!' và chúng tôi bắt đầu hợp tác,” nhà khoa học và kỹ sư vật liệu cho biết Venkatraman Gopalan, cũng của bang Pennsylvania. Tuy nhiên, kỹ thuật này đã bị cản trở do tốc độ sản xuất sợi chậm và sự hợp tác đã kết thúc sau cái chết đột ngột của Badding ở tuổi 57 vào năm 2019.

trong 2008 John Ballato của Đại học Clemson ở Nam Carolina đã phát triển phương pháp lõi nóng chảy để sản xuất sợi quang bằng silicon và germani. Hai vật liệu này được nung nóng trên điểm nóng chảy trên 1000 ° C. Silicon nóng chảy sau đó được bơm vào thủy tinh khi nó được kéo thành sợi và khi cả hai nguội đi, chất rắn này bao quanh chất rắn kia. Phương pháp này cho phép sản xuất hàng chục mét mỗi phút và sợi đã thu hút sự quan tâm của laser y tế, quang học phi tuyến và nhiều ứng dụng khác. Một vấn đề là sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa chất bán dẫn và thủy tinh khiến chất bán dẫn bị gãy khi nó nguội đi. Điều này tạo ra tổn thất quang học và khiến cho việc tháo kính ra không thể thực hiện được nếu sợi quang không bị đứt rời.

Nghiên cứu mới bẻ khóa

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Nanyang ở Singapore, Đại học Cát Lâm ở Trung Quốc và các nơi khác đã tiến hành nghiên cứu kỹ lưỡng về vết nứt này. “Chúng tôi đã làm việc với các chuyên gia cơ khí, những người đã giúp chúng tôi giải thích các yếu tố chính là gì,” cho biết Lôi Wei của Đại học Công nghệ Nanyang. Sự hiểu biết lý thuyết được cải thiện này cho phép các nhà nghiên cứu chọn thủy tinh aluminosilicate để phủ germanium chẳng hạn. Kết quả là các dây bán dẫn dài được bọc trong thủy tinh không có vết nứt.

Trong tương lai, các nhà nghiên cứu tin rằng những sợi bọc thủy tinh này có thể hữu ích trong quang tử học. Tuy nhiên, trong bài báo hiện tại, họ đã khắc thủy tinh để để lại các dây silicon dày chưa đến 100 micron. Wei cho biết: “Đối với thiết bị điện tử, chỉ riêng chất bán dẫn sẽ không hoạt động, chúng ta cần có các điểm tiếp xúc kim loại để giao tiếp với chất bán dẫn”. Do đó, họ đã sử dụng quy trình nhiệt độ thấp để gắn hai dây kim loại nhúng trong polyme dẫn điện vào chất bán dẫn và nhúng ba dây dẫn lại với nhau trong một polyme cách điện. Kết quả là một sợi quang điện tử linh hoạt có thể kéo thành sợi.

Nhóm đã sản xuất một số thiết bị chứa sợi của họ đan xen vào các loại vải dệt khác. Một ví dụ là chiếc mũ len có thể phát hiện ánh sáng từ tín hiệu giao thông và tạo ra tín hiệu rung trên điện thoại di động cho biết tín hiệu đó là đỏ hay xanh lục. Họ dự tính điều này có thể giúp ích cho người khiếm thị. Một loại khác là dây đeo đồng hồ thông minh có thể đo nhịp tim của một người.

Bóng bán dẫn có thể giặt được có thể là lựa chọn tiếp theo

Họ cũng cho thấy công nghệ này có khả năng phục hồi thực tế. Lei Wei cho biết: “Chúng tôi cho thiết bị của mình vào máy giặt…Chúng tôi có thể giặt nhiều lần mà thiết bị vẫn duy trì hiệu suất ban đầu”. Các nhà nghiên cứu hiện đang cố gắng chế tạo một bóng bán dẫn bên trong sợi quang để cho phép kết hợp trực tiếp hơn với mạch điện tử.

Ballato rất nhiệt tình với nghiên cứu này. “Tôi đã biết nhóm này 15 năm rồi nên tôi không ngạc nhiên trước sự xuất sắc của công việc,” anh nói; “Họ đã có thể áp dụng những khái niệm quan trọng nhưng có phần hàn lâm này và biến chúng thành thực hành theo cách rất hữu ích và quan trọng nhằm xác nhận khả năng mở rộng của chính các sợi.”

Anh ấn tượng nhất với khả năng của nhóm trong việc kết hợp các vật liệu đòi hỏi các điều kiện xử lý khác nhau vào một cấu trúc duy nhất. Ông nói: “Với bộ công cụ mới này, họ đi trước những người khác về khả năng sử dụng chúng để phát triển các thiết bị chức năng, thiết thực”.

“Điều này thật thú vị – John [Badding] hẳn sẽ rất vui mừng khi thấy điều này!” Gopalan nói. Ông tin rằng đối với cảm biến và chụp ảnh, kỹ thuật này thực sự có nhiều hứa hẹn, mặc dù ông nói rằng các sợi hiện tại sẽ quá dày để sử dụng trong thực tế trong việc truyền tín hiệu và nghi ngờ quy trình lõi nóng chảy có thể không thể tạo ra các sợi đủ mỏng, tinh khiết cho truyền tín hiệu cả. Ông nói: “Bước tiếp theo là mô tả kỹ lưỡng các đặc tính quang học và điện tử cơ bản của những sợi này: “Điều đó sẽ xác định các ứng dụng có thể nằm ở đâu”.

Quá trình chế tạo được mô tả ở Thiên nhiên.

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý