Forskare från NTU Singapore har utvecklat ultratunna halvledarfibrer som kan vävas till tyger och förvandla dem till smart bärbar elektronik. Deras arbete har publicerats i tidskriften Nature .
För att skapa tillförlitligt fungerande halvledarfibrer måste de vara flexibla och utan defekter för stabil signalöverföring. Men befintliga tillverkningsmetoder orsakar stress och instabilitet, vilket leder till sprickor och deformiteter i halvledarkärnorna, vilket påverkar deras prestanda negativt och begränsar deras utveckling.
NTU-forskare genomförde modellering och simuleringar för att förstå hur stress och instabilitet uppstår under tillverkningsprocessen. De fann att utmaningen kunde övervinnas genom noggrant materialval och en specifik serie steg vid fiberproduktion.
De utvecklade en mekanisk design och tillverkade framgångsrikt hårtunna, defektfria fibrer som spänner över 100 meter, vilket indikerar dess skalbarhet på marknaden. Viktigt är att de nya fibrerna kan vävas in i tyger med hjälp av befintliga metoder.
För att visa sina fibrers höga kvalitet och funktionalitet utvecklade NTU:s forskargrupp prototyper. Dessa inkluderade en smart mössa för att hjälpa en synskadad person att korsa vägen på ett säkert sätt genom att ta emot varningar på en mobiltelefonapplikation; en tröja som tar emot information och sänder den genom en hörsnäcka, som en museiljudguide; och en smartklocka med ett band som fungerar som en flexibel sensor som anpassar sig till användarens handled för pulsmätning även under fysiska aktiviteter.
Teamet tror att deras innovation är ett grundläggande genombrott i utvecklingen av halvledarfibrer som är ultralånga och hållbara, vilket innebär att de är kostnadseffektiva och skalbara samtidigt som de erbjuder utmärkt elektrisk och optoelektronisk (vilket innebär att den kan känna av, sända och interagera med ljus) prestanda.
NTU-docent Wei Lei vid School of Electrical and Electronic Engineering (EEE) och huvudutredare för studien sa:"Den framgångsrika tillverkningen av våra högkvalitativa halvledarfibrer är tack vare vårt teams tvärvetenskapliga natur.
"Tillverkning av halvledarfiber är en mycket komplex process som kräver kunskap från experter inom materialvetenskap, mekanik och elektroteknik i olika skeden av studien.
"Den samarbetande teaminsatsen gav oss en tydlig förståelse av de inblandade mekanismerna, vilket i slutändan hjälpte oss att låsa upp dörren till defektfria trådar och övervinna en långvarig utmaning inom fiberteknik."
För att utveckla sina defektfria fibrer valde det NTU-ledda teamet ut par av vanligt halvledarmaterial och syntetiskt material - en kiselhalvledarkärna med ett kiselglasrör och en germaniumkärna med ett aluminiumsilikatglasrör. Materialen valdes ut utifrån deras egenskaper som kompletterade varandra.
Dessa inkluderade termisk stabilitet, elektrisk ledningsförmåga och förmågan att tillåta elektrisk ström att flöda igenom (resistivitet).
Silicon valdes för sin förmåga att värmas upp till höga temperaturer och manipuleras utan att försämras och för sin förmåga att arbeta i det synliga ljusområdet, vilket gör det idealiskt för användning i enheter avsedda för extrema förhållanden, såsom sensorer på skyddskläderna för brandmän.
Germanium, å andra sidan, tillåter elektroner att snabbt röra sig genom fibern (bärarmobilitet) och arbeta i det infraröda området, vilket gör den lämplig för applikationer i bärbara eller tygbaserade (d.v.s. gardiner, bordsdukar) sensorer som är kompatibla med inomhus Light Fidelity ("LiFi") trådlösa optiska nätverk.
Därefter förde forskarna in halvledarmaterialet (kärnan) inuti glasröret och värmde det vid hög temperatur tills röret och kärnan var tillräckligt mjuka för att dras in i en tunn kontinuerlig sträng (se bilden nedan).
På grund av de olika smältpunkterna och värmeutvidgningshastigheterna för de valda materialen, fungerade glaset som en vinflaska under uppvärmningsprocessen, som innehöll halvledarmaterialet som, liksom vin, fyller flaskan när den smälte.
Första författaren till studien Dr Wang Zhixun, forskare vid School of EEE, sa:"Det krävdes omfattande analyser innan man landade på rätt kombination av material och process för att utveckla våra fibrer. Genom att utnyttja de olika smältpunkterna och termiska expansionshastigheterna av våra utvalda material drog vi framgångsrikt halvledarmaterialen till långa trådar när de kom in i och ut ur värmeugnen samtidigt som vi undvek defekter."
Glaset tas bort när strängen svalnar och kombineras med ett polymerrör och metalltrådar. Efter ytterligare en uppvärmningsomgång dras materialen till en hårtunn, flexibel tråd.
I labbexperiment visade halvledarfibrerna utmärkta prestanda. När de utsätts för responsivitetstester kunde fibrerna detektera hela området för synligt ljus, från ultraviolett till infrarött, och kraftfullt överföra signaler på upp till 350 kilohertz (kHz) bandbredd, vilket gör den till en topppresterande i sitt slag. Dessutom var fibrerna 30 gånger segare än vanliga.
Fibrerna utvärderades också för sin tvättbarhet, där en trasa vävd med halvledarfibrer rengjordes i en tvättmaskin 10 gånger, och resultaten visade ingen signifikant minskning av fiberprestanda.
Co-rektor utredare, Distinguished University Professor Gao Huajian, som avslutade studien medan han var vid NTU, sa:"Kisel och germanium är två allmänt använda halvledare som vanligtvis anses vara mycket spröda och benägna att spricka.
"Tillverkningen av ultralång halvledarfiber visar möjligheten och genomförbarheten av att tillverka flexibla komponenter med kisel och germanium, vilket ger stort utrymme för utveckling av flexibla bärbara enheter av olika former.
"Närnäst kommer vårt team att arbeta tillsammans för att tillämpa fibertillverkningsmetoden på andra utmanande material och för att upptäcka fler scenarier där fibrerna spelar nyckelroller."
Kompatibilitet med industrins produktionsmetoder tyder på enkel användning
För att demonstrera genomförbarheten av användning i verkliga applikationer byggde teamet smart bärbar elektronik med hjälp av deras nyskapade halvledarfibrer. Dessa inkluderar en mössa, en tröja och en klocka som kan upptäcka och bearbeta signaler.
För att skapa en enhet som hjälper synskadade att korsa trafikerade vägar, vävde NTU-teamet in fibrer i en mössa, tillsammans med ett gränssnittskort. När den testades experimentellt utomhus skickades ljussignaler som tas emot av mössan till en mobiltelefonapplikation, vilket utlöste en varning.
En skjorta vävd med fibrerna fungerade under tiden som en "smart topp", som kunde bäras på ett museum eller ett konstgalleri för att ta emot information om utställningar och mata in den i en hörsnäcka när bäraren gick runt i rummen.
En smartklocka med ett armband integrerat med fibrerna fungerade som en flexibel och konform sensor för att mäta hjärtfrekvensen, till skillnad från traditionella konstruktioner där en stel sensor är installerad på kroppen av smartklockan, vilket kanske inte är tillförlitligt under omständigheter när användare är mycket aktiv och sensorn inte är i kontakt med huden.
Dessutom ersatte fibrerna skrymmande sensorer i kroppen på smartklockan, vilket sparade utrymme och frigjorde designmöjligheter för smalare klockdesigner.
Medförfattare Dr. Li Dong, en forskare vid School of Mechanical and Aerospace Engineering, sa:"Vår fibertillverkningsmetod är mångsidig och lätt att använda av industrin. Fibern är också kompatibel med nuvarande textilindustrimaskiner, vilket innebär att den har potential för storskalig produktion.
"Genom att demonstrera fibrernas användning i vardagliga bärbara föremål som en mössa och en klocka, bevisar vi att våra forskningsrön kan fungera som en guide för att skapa funktionella halvledarfibrer i framtiden."
För sina nästa steg planerar forskarna att utöka de typer av material som används för fibrerna och komma med halvledare med olika ihåliga kärnor, såsom rektangulära och triangulära former, för att utöka deras tillämpningar.
Mer information: Zhixun Wang et al, Högkvalitativa halvledarfibrer via mekanisk design, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06946-0
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Nanyang Technological University
