科學(xué)家研制出高品質(zhì)si/ge半導(dǎo)體纖維及其柔性傳感器

2月1日，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陳明研究團(tuán)隊，聯(lián)合新加坡南洋理工大學(xué)教授魏磊和中國科學(xué)院外籍院士高華健團(tuán)隊、中國科學(xué)院蘇州納米所研究員張其沖團(tuán)隊，在《自然》(nature)上發(fā)表了題為high-quality semiconductor fibres via mechanical design的研究論文。該研究報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)，實現(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)是科學(xué)界的挑戰(zhàn)。該研究從傳統(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，實現(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，在一次拉制的同時完成器件的裝配及封裝，形成的光電纖維探測器在極端環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異穩(wěn)定性，可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)使用又可以編織進(jìn)布料中，從而將被動式的衣物打造成功能性“智能”穿著。該研究首次明確了“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。

研究工作得到中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、廣東省、深圳市等的支持。