用細如發(fā)絲的半導體纖維材料“編織”特殊衣物
不久前，在新加坡南洋理工大學，兩位研究人員展示了一塊長13.5米、寬0.6米、厚1毫米的特殊布料。這是一塊光電傳感布，由一根根細如發(fā)絲的纖維材料“編織”而成，用該布料做成的帽子、衣服等衣物，有望替代手機、平板電腦、智能手表等智能設備。
2月1日，《自然》（Nature）發(fā)表了一篇題為《通過機械設計制備高質量半導體纖維》的論文，主要介紹了圖片中用超長連續(xù)的高質量硅鍺纖維材料“編織”的布料是如何問世的。
長13.5米、寬0.6米、厚1毫米的光電傳感布。受訪者供圖
該研究是由南洋理工大學教授魏磊牽頭的一支國際聯(lián)合團隊完成的，主要研究成員還包括高華健院士團隊、中國科學院深圳先進技術研究院副研究員陳明團隊和中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張其沖團隊等。
論文通訊作者張其沖告訴《中國科學報》：“這是一項交叉合作的研究成果，高華健院士團隊做力學模擬，陳明副研究員團隊做柔性傳感器及功能應用，魏磊教授和我的團隊做材料制備與器件組裝。”
尋找“能屈能伸”的材料
讓脆性材料變得柔軟，甚至像毛線一樣能夠編成衣物，是魏磊團隊的研究方向之一。
“如今的手機、電腦、智能手表等設備的芯片制造都離不開硅材料，在硅材料獲得青睞之前，鍺則是被用來制作歷史上第一個晶體管的經典材料。”論文共同第一作者、在南洋理工大學從事博士后工作的汪志勛介紹，盡管這兩種材料具備自然儲量豐富、電氣性能優(yōu)良等特點，但它們還是“寧為玉碎，不為瓦全”的脆性材料，制作的芯片也“威武不能屈”——非常容易斷裂。
已有研究發(fā)現(xiàn)，雖然以硅鍺為代表的無機半導體材料已成為制造芯片不可或缺的關鍵材料，因為這些材料在熱穩(wěn)定性、電學性能、規(guī)模化生產等方面具有不可比擬的優(yōu)勢，但在電子產業(yè)擁抱柔性化的新趨勢下，這些半導體的本征脆性給材料科學家?guī)砹瞬恍〉奶魬?zhàn)。
如何讓這些半導體材料“能屈能伸，柔軟好用”呢？近年來，國際學術界相繼提出了一些降低維度的解決方案。
論文共同第一作者、吉林大學教授王哲解釋道，降低維度是指采用三維尺寸極小，可以認為是零維形態(tài)的硅“點”（零維納米硅），以陣列形式分布在柔性基底上，形成一個軟硬交聯(lián)的網絡來實現(xiàn)對脆硬材料的柔性化；或者是減小晶圓的厚度，并鈍化機械損傷，從而得到一張平面（二維納米硅）形態(tài)可以彎曲的硅薄膜。
“當前，學術界對一維（一維納米硅）形態(tài)的半導體纖維研究相對較少，主要原因是制備極其困難。”魏磊表示，關鍵挑戰(zhàn)在于如何大規(guī)模高產量地連續(xù)制造具有相當長度的、無裂紋的半導體纖維。
可編織光電傳感布問世
盡管研究已發(fā)現(xiàn)微下拉法等從熔體出發(fā)的晶體生長法，但半導體纖維的制備仍然面臨一些重大難題。
汪志勛介紹，熔芯熱拉法是將生產玻璃光纖的方法稍加改動，用于制造多材料纖維的一種方法。該方法具有低成本、高速度、長纖維等特點，其纖維拉制速度可以達到每分鐘數十米甚至上百米，并且單根纖維的拉制長度可以達到公里級。但是，熔芯熱拉法制造出的半導體纖維往往具有形狀不均勻，纖芯斷裂多發(fā)等缺陷，限制了其實際應用。
“要解決半導體纖維的生產難題，熔芯熱拉法是一個有潛力的辦法，但需要從根本上梳理清楚缺陷發(fā)生機制，從源頭上解決問題。”張其沖告訴《中國科學報》，參與研究的團隊成員結合各自背景和優(yōu)勢，突破傳統(tǒng)思維，從基礎科學出發(fā)并結合實驗驗證，分階段地把熔芯熱拉法中不同的物理和化學過程清晰地歸納總結，明確了纖維制備中關鍵的流體和固體力學問題。
從理論模型的建立到半導體纖維的成功拉制，這支國際聯(lián)合團隊驗證了熔芯熱拉法的系統(tǒng)規(guī)律，并基于半導體纖維展示了可編織光電傳感布的日常應用。“這種傳感布可以縫成一頂帽子、一件衣服，或是以單根纖維（一維納米硅）的形式貼服在復雜形狀的表面，以實現(xiàn)對環(huán)境光的連續(xù)化監(jiān)測、室內光通訊、健康管理甚至深海無線通訊等極端環(huán)境多種實際應用。”陳明說。
一根根“發(fā)絲”大有可為
據了解，硅、鍺是電子產業(yè)中廣為成熟應用的代表性材料，用它們做成的半導體纖維有一個重要優(yōu)勢——可以與現(xiàn)有技術工藝的兼容。
張其沖表示，光電傳感只是這款硅鍺纖維材料應用的一小塊，該材料還有更廣的應用，如太陽能電池、溫度壓力及其它信號的傳感、數據儲存，甚至是集成電路和微處理器，未來都有可能在這一根根“發(fā)絲”上實現(xiàn)，并且能夠編織進日常穿著的衣物里，在感覺不到的情況下提升人們的生活品質。
“如今，我們已經在實驗室實現(xiàn)了高質量硅鍺半導體纖維材料的規(guī)模化生產，但要實現(xiàn)更廣的應用還面臨著挑戰(zhàn)。”魏磊介紹，從纖維形態(tài)出發(fā)，目前的形狀單一，而不同的器件可能要求不同形狀或是具有內部結構的纖維；從材料本身出發(fā)，還需要進一步探索第三代及第四代半導體材料的纖維化制備。
張其沖透露，未來，聯(lián)合研究團隊將進一步研究多功能纖維材料，共同解決生產制備中的問題，讓人們像貼身衣物一樣攜帶自己需要的智能設備。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06946-0
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