高質量半導體纖維！南洋理工大學&深圳先進院&蘇州納米所三校聯發Nature！

以硅鍺為代表的半導體是現代電子產業的“大腦”—芯片不可或缺的關鍵材料。這些無機半導體在化學及熱穩定性，電學性能，規模化生產等方面具有不可比擬的優勢。然而在電子產業擁抱柔性化的新趨勢下，這些半導體的本征脆性給科學家帶來了不小的挑戰。如何用這些半導體發揮柔性？近些年國際學術界相繼提出了一些降低維度的解決方案。例如采用三維尺寸極小，可以認為是零維形態的硅“點”，以陣列形式分布在柔性基底上，形成一個軟硬交聯的網絡來實現對脆硬材料的柔性化；或是減小晶圓的厚度，并鈍化機械損傷，從而得到一張二維形態可以彎曲的硅薄膜。然而，對一維形態的半導體纖維研究相對較少，主要原因是制備異常困難。在這方面，盡管有微下拉法等從熔體出發的晶體生長法的示例，但半導體纖維的制備仍然面臨一些重大難題。其關鍵挑戰在于：如何大規模連續制造具有相當超長和無裂紋的半導體纖維。

熔芯熱拉法是生產多材料纖維通用的大規模制備技術，這種方法具有低成本、高產率和超長連續等優點。然而，熔芯熱拉法制造出的半導體纖維往往具有形狀不均勻，纖芯斷裂多發等缺陷，限制了其廣泛的實際應用。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生機制，從源頭上解決問題。南洋理工大學魏磊副教授團隊聯合南洋理工大學高華健院士團隊、深圳先進院陳明副研究員團隊和蘇州納米所張其沖研究員團隊，突破傳統思維，通過多學科交叉，從基礎科學出發并結合實驗驗證，分階段地把熔芯熱拉法中不同的物理和化學過程清晰的歸納總結，明確了纖維制備中關鍵的流體和固體力學問題。建立了熔芯熱拉法的多階段力學模型，利用該理論模型指導工藝優化，發展了核心半導體材料和殼體材料的機械匹配原則，有效解決了纖維拉制過程中的流體不穩定性及機械失匹導致的裂紋擴展難題，突破脆性無機半導體材料的纖維柔性化技術，實現超長、無斷裂和無擾動無機半導體纖維的連續化制備。相關成果以《High-quality semiconductor fibres via mechanical design》為題，于北京時間2月1日發表在Nature上。南洋理工大學博士后汪志勛、李棟和吉林大學教授王哲為共同第一作者，南洋理工大學魏磊副教授/高華健院士，深圳先進院陳明副研究員和蘇州納米張其沖研究員為共同通訊作者。這項工作獲得了審稿人的高度評價：“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用于可穿戴器件的重要創新和進展”（“Wang and collaborators presents an impressively broad range of important innovations and advancements in optoelectronic fibres and their development into functional wearable devices”；“重要且打破了傳統思維”（“important and breaks with conventional thinking”）以及“過去十年中可穿戴電子突飛猛進，而這項工作是該領域重大成就的代表之一”（“this field of wearable electronics has grown substantially over the past decade and this work represents one?of the most important series of multiple contributions”）

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圖1. 半導體光電纖維的設計與制備

纖芯材料中的應力主要是由纖芯和包層之間的體積變化差異引起的，這種差異源自纖芯凝固和不匹配的熱膨脹。纖芯凝固前的擾動是由毛細管不穩定性引起的。這些機制得到建模和有限元模擬的進一步支持，通過材料選擇和工藝優化進行合理的力學設計可以緩解和抑制此類應力和不穩定性。熔芯法的力學設計為高質量半導體纖維的發展提供了新的研究方向，并有望擴展到更廣泛的材料范圍。

圖2. 熔芯熱拉法中的應力和毛細管不穩定性分析

采用新開發的收斂熱拉法將半導體纖維集成到具有不同設計的導體、半導體和絕緣體復合結構中，由此獲得的光電纖維在 2 V 偏壓下表現出高達 0.55 A W^-1?的響應度和短至 900 ns 的響應時間，與商用平面型光電探測器相當，解決了高性能的無機半導體材料與熱拉法制備纖維的兼容性問題。更重要的是，這些纖維的柔軟輕便和出色的機械性能使其特別適合構建大面積光電織物，同時保持輕質、舒適性、可機洗和透氣性等有利特性。研究團隊進一步展示了光電織物的廣泛應用，包括個人輔助設備、用于織物間通信的可穿戴Li-Fi系統、用于個人健康監測的智能手表帶以及水下可見光通信系統。這項工作為從傳統材料和器件形態中無法企及的極端力學和流體動力學提供了新的見解，有望促進解決對高性能柔性半導體材料和可穿戴電子器件日益增長的需求。

圖3. 光電纖維和大面積光電織物

半導體是決定電子器件性能的關鍵材料，高質量的半導體纖維可能會使具有傳感、數據儲存，甚至是集成電路和微處理器等功能的纖維器件快速發展，從而提供具有經濟和社會效益的創新。高質量半導體纖維的規模化生產已經實現突破，但要實現廣泛的應用，還面臨一些機遇和挑戰。從纖維形態出發，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；從材料來說，也需要探索第三代及第四代半導體材料的纖維化制備。致力于多功能纖維的發展，共同解決生產制備過程中重大難題，從而發揮功能纖維巨大的應用潛力。

論文鏈接：?https://www.nature.com/articles/s41586-023-06946-0