Nature | 高品質(zhì)Si/Ge 半導(dǎo)體纖維及其柔性傳感器
北京時(shí)間2月1日凌晨,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院材料所光子信息與能源材料研究中心楊春雷課題組的陳明研究團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)魏磊教授和高華健院士團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院蘇州納米所張其沖研究員團(tuán)隊(duì)合作,在Nature雜志上發(fā)表了題為High-quality Semiconductor Fibres via Mechanical Design的論文,報(bào)道了一種基于熱拉制工藝的大規(guī)模生產(chǎn)高質(zhì)量半導(dǎo)體硅、鍺纖維的制備技術(shù),成功實(shí)現(xiàn)了硅、鍺等傳統(tǒng)脆性半導(dǎo)體的纖維化和柔性化,并以光電纖維pn結(jié)為例演示了半導(dǎo)體纖維在柔性電子領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。
一維纖維作為一種新興的無機(jī)半導(dǎo)體材料應(yīng)用形態(tài),具有細(xì)和柔的獨(dú)特優(yōu)勢,它為柔性電子器件與人們?nèi)粘R轮臒o縫融合、柔性電子設(shè)備與日常生活的無感鏈接提供了全新的可能性。然而,快速和大長度的高質(zhì)量半導(dǎo)體纖維制備技術(shù)仍然是科學(xué)界的巨大挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)從傳統(tǒng)的光纖制備及熱拉制工藝中獲得靈感,將單一材料纖維的熱拉制法擴(kuò)展為多材料的制備工藝,并從固體力學(xué)和流體力學(xué)的角度出發(fā),解決了無機(jī)半導(dǎo)體纖維熱拉制過程中的多材料體系應(yīng)力失配和流體不穩(wěn)定性問題,成功實(shí)現(xiàn)了每分鐘數(shù)米至數(shù)十米高速拉制長達(dá)數(shù)百米的Si/Ge半導(dǎo)體纖維制備策略。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步采用收斂熱拉制法,在單根頭發(fā)絲粗細(xì)的纖維內(nèi)建立絕緣體、導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間緊密穩(wěn)固的材料界面,在一次拉制的同時(shí)就完成了器件的裝配及封裝,形成的光電纖維探測器在極端環(huán)境下仍表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性,可以在水下三千米甚至更深的壓力環(huán)境下穩(wěn)定工作。
這種柔韌穩(wěn)定的“頭發(fā)絲”型傳感器既可以單獨(dú)使用,也可以編織進(jìn)布料中,從而將被動(dòng)式的衣物打造成功能性“智能”穿著,其在未來的智能穿戴、元宇宙、人工智能、極端環(huán)境傳感器、腦機(jī)接口等領(lǐng)域都將具有廣闊應(yīng)用前景。本項(xiàng)工作首次明確了‘纖芯-包層’力學(xué)相互作用,提出了半導(dǎo)體纖維拉制的普適性策略,突破了無機(jī)半導(dǎo)體纖芯拉絲制備過程中無裂紋結(jié)晶的長期科學(xué)難題。
這項(xiàng)工作也獲得了審稿人的高度評價(jià):“作者們展示了令人印象深刻的一系列對于光電纖維及其應(yīng)用于可穿戴器件的重要進(jìn)步和創(chuàng)新”;“重要且打破了傳統(tǒng)思維”以及“過去十年中可穿戴電子突飛猛進(jìn),而這項(xiàng)工作是該領(lǐng)域重大成就的代表之一”。
新加坡南洋理工大學(xué)的魏磊教授和高華健院士、中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院陳明副研究員、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所張其沖研究員為該論文共同通訊作者,汪志勛,李棟和王哲為文章共同第一作者。該研究也得到了中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會,廣東省自然科學(xué)基金和深圳市科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
高品質(zhì)Si/Ge半導(dǎo)體纖維
熱拉制法中包層/半導(dǎo)體纖芯結(jié)構(gòu)的應(yīng)力適配和流體不穩(wěn)定性分析
智能穿戴及極端環(huán)境應(yīng)用
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