Het team is van mening dat hun innovatie een fundamentele doorbraak is in de ontwikkeling van halfgeleidervezels die ultralang en duurzaam zijn, wat betekent dat ze kosteneffectief en schaalbaar zijn en tegelijkertijd uitstekende elektrische en opto-elektronische eigenschappen bieden (wat betekent dat ze licht kunnen waarnemen, doorgeven en ermee kunnen communiceren). prestaties.

NTU universitair hoofddocent Wei Lei aan de School of Electrical and Electronic Engineering (EEE) en hoofdonderzoeker van het onderzoek zei:"De succesvolle fabricage van onze hoogwaardige halfgeleidervezels is te danken aan het interdisciplinaire karakter van ons team.

"De fabricage van halfgeleidervezels is een zeer complex proces, waarvoor de kennis van materiaalwetenschappers, mechanische en elektrotechnische experts in verschillende stadia van het onderzoek vereist is.

"De gezamenlijke inspanning van het team heeft ons een duidelijk inzicht gegeven in de betrokken mechanismen, wat ons uiteindelijk heeft geholpen de deur naar defectvrije draden te openen en zo een al lang bestaande uitdaging in de glasvezeltechnologie te overwinnen."

Ontwikkeling van halfgeleidervezels

Om hun defectvrije vezels te ontwikkelen, selecteerde het door de NTU geleide team paren van gangbaar halfgeleidermateriaal en synthetisch materiaal:een silicium halfgeleiderkern met een buis van silicaglas en een germaniumkern met een glazen buis van aluminosilicaat. De materialen zijn geselecteerd op basis van hun eigenschappen die elkaar aanvulden.

Deze omvatten thermische stabiliteit, elektrische geleidbaarheid en het vermogen om elektrische stroom door te laten (weerstand).

Silicium werd geselecteerd vanwege zijn vermogen om tot hoge temperaturen te worden verwarmd en te worden gemanipuleerd zonder degradatie en vanwege zijn vermogen om te werken in het zichtbare lichtbereik, waardoor het ideaal is voor gebruik in apparaten die bedoeld zijn voor extreme omstandigheden, zoals sensoren op de beschermende kleding van brandweerlieden.

Germanium daarentegen zorgt ervoor dat elektronen snel door de vezel kunnen bewegen (dragermobiliteit) en in het infraroodbereik kunnen werken, wat het geschikt maakt voor toepassingen in draagbare of op stoffen gebaseerde (d.w.z. gordijnen, tafelkleed) sensoren die compatibel zijn met indoor Light fidelity ("LiFi") draadloze optische netwerken.

Vervolgens plaatsten de wetenschappers het halfgeleidermateriaal (de kern) in de glazen buis en verhitten deze op hoge temperatuur totdat de buis en de kern zacht genoeg waren om tot een dunne, doorlopende streng te worden getrokken (zie afbeelding hieronder).

Vanwege de verschillende smeltpunten en thermische uitzettingssnelheden van de geselecteerde materialen functioneerde het glas tijdens het verwarmingsproces als een wijnfles, met daarin het halfgeleidermateriaal dat, net als wijn, de fles vult terwijl deze smolt.

Eerste auteur van de studie Dr. Wang Zhixun, Research Fellow aan de School of EEE, zei:"Er was uitgebreide analyse voor nodig voordat we op de juiste combinatie van materialen en processen terechtkwamen om onze vezels te ontwikkelen. Door gebruik te maken van de verschillende smeltpunten en thermische uitzettingssnelheden van de door ons gekozen materialen hebben we met succes de halfgeleidermaterialen in lange draden getrokken toen ze de verwarmingsoven binnenkwamen en verlieten, terwijl we defecten vermeden."

Het glas wordt verwijderd zodra de streng is afgekoeld en gecombineerd met een polymeerbuis en metalen draden. Na nog een verwarmingsronde worden de materialen tot een haardunne, flexibele draad getrokken.

In laboratoriumexperimenten vertoonden de halfgeleidervezels uitstekende prestaties. Wanneer ze werden onderworpen aan responsiviteitstests, konden de vezels het gehele bereik van zichtbaar licht detecteren, van ultraviolet tot infrarood, en op robuuste wijze signalen overbrengen met een bandbreedte tot 350 kilohertz (kHz), waardoor het een topprestatie in zijn soort is. Bovendien waren de vezels 30 keer sterker dan gewone vezels.

De vezels werden ook beoordeeld op hun wasbaarheid, waarbij een met halfgeleidervezels geweven doek tien keer in een wasmachine werd gereinigd. De resultaten lieten geen significante daling in de vezelprestaties zien.

Co-hoofdonderzoeker, vooraanstaande universiteitsprofessor Gao Huajian, die de studie voltooide terwijl hij bij de NTU was, zei:"Silicium en germanium zijn twee veelgebruikte halfgeleiders die gewoonlijk als zeer bros worden beschouwd en vatbaar zijn voor breuken.

"De fabricage van ultralange halfgeleidervezels demonstreert de mogelijkheid en haalbaarheid van het maken van flexibele componenten met behulp van silicium en germanium, waardoor er uitgebreide ruimte ontstaat voor de ontwikkeling van flexibele draagbare apparaten in verschillende vormen.

"Vervolgens zal ons team samenwerken om de vezelproductiemethode toe te passen op andere uitdagende materialen en om meer scenario's te ontdekken waarin de vezels een sleutelrol spelen."

Compatibiliteit met de productiemethoden van de industrie duidt op een gemakkelijke adoptie

Om de haalbaarheid van gebruik in real-life toepassingen aan te tonen, bouwde het team slimme draagbare elektronica met behulp van hun nieuw gecreëerde halfgeleidervezels. Denk hierbij aan een muts, een trui en een horloge dat signalen kan detecteren en verwerken.

Om een ​​apparaat te creëren dat visueel gehandicapten helpt bij het oversteken van drukke wegen, weefde het NTU-team vezels in een beanie, samen met een interfacebord. Bij experimentele tests buitenshuis werden de door de beanie ontvangen lichtsignalen naar een mobiele telefoonapplicatie gestuurd, waardoor een waarschuwing werd geactiveerd.

Een shirt dat met de vezels was geweven, fungeerde ondertussen als een 'smart top', die in een museum of kunstgalerie kon worden gedragen om informatie over tentoonstellingen te ontvangen en deze in een oortje te sturen terwijl de drager door de kamers liep.

Een smartwatch met een in de vezels geïntegreerde polsband functioneerde als een flexibele en conforme sensor om de hartslag te meten, in tegenstelling tot traditionele ontwerpen waarbij een stijve sensor op de behuizing van de smartwatch is geïnstalleerd, wat mogelijk niet betrouwbaar is in omstandigheden waarin gebruikers erg druk zijn. actief en de sensor maakt geen contact met de huid.

Bovendien hebben de vezels de grote sensoren in de behuizing van de smartwatch vervangen, waardoor ruimte werd bespaard en er ontwerpmogelijkheden ontstonden voor slankere horlogeontwerpen.

Co-auteur Dr. Li Dong, een Research Fellow aan de School of Mechanical and Aerospace Engineering, zei:"Onze vezelfabricagemethode is veelzijdig en gemakkelijk door de industrie overgenomen. De vezel is ook compatibel met de huidige machines in de textielindustrie, wat betekent dat hij de potentieel voor grootschalige productie.

"Door het gebruik van de vezels in alledaagse draagbare items zoals een muts en een horloge aan te tonen, bewijzen we dat onze onderzoeksresultaten als leidraad kunnen dienen voor het creëren van functionele halfgeleidervezels in de toekomst."

Voor hun volgende stappen zijn de onderzoekers van plan om de soorten materialen die voor de vezels worden gebruikt uit te breiden en halfgeleiders te bedenken met verschillende holle kernen, zoals rechthoekige en driehoekige vormen, om hun toepassingen uit te breiden.

Meer informatie: Zhixun Wang et al., Hoogwaardige halfgeleidervezels via mechanisch ontwerp, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06946-0

Journaalinformatie: Natuur

Geleverd door Nanyang Technologische Universiteit