【科学网】用细如发丝的半导体纤维材料“编织”特殊衣物
不久前，在新加坡南洋理工大学，两位研究人员展示了一块长13.5米、宽0.6米、厚1毫米的特殊布料。这是一块光电传感布，由一根根细如发丝的纤维材料“编织”而成，用该布料做成的帽子、衣服等衣物，有望替代手机、平板电脑、智能手表等智能设备。
2月1日，《自然》（Nature）发表了一篇题为《通过机械设计制备高质量半导体纤维》的论文，主要介绍了图片中用超长连续的高质量硅锗纤维材料“编织”的布料是如何问世的。
该研究是由南洋理工大学教授魏磊牵头的一支国际联合团队完成的，主要研究成员还包括高华健院士团队、中国科学院深圳先进技术研究院副研究员陈明团队和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张其冲团队等。
论文通讯作者张其冲告诉《中国科学报》：“这是一项交叉合作的研究成果，高华健院士团队做力学模拟，陈明副研究员团队做柔性传感器及功能应用，魏磊教授和我的团队做材料制备与器件组装。”
寻找“能屈能伸”的材料
让脆性材料变得柔软，甚至像毛线一样能够编成衣物，是魏磊团队的研究方向之一。
“如今的手机、电脑、智能手表等设备的芯片制造都离不开硅材料，在硅材料获得青睐之前，锗则是被用来制作历史上第一个晶体管的经典材料。”论文共同第一作者、在南洋理工大学从事博士后工作的汪志勋介绍，尽管这两种材料具备自然储量丰富、电气性能优良等特点，但它们还是“宁为玉碎，不为瓦全”的脆性材料，制作的芯片也“威武不能屈”——非常容易断裂。
已有研究发现，虽然以硅锗为代表的无机半导体材料已成为制造芯片不可或缺的关键材料，因为这些材料在热稳定性、电学性能、规模化生产等方面具有不可比拟的优势，但在电子产业拥抱柔性化的新趋势下，这些半导体的本征脆性给材料科学家带来了不小的挑战。
如何让这些半导体材料“能屈能伸，柔软好用”呢？近年来，国际学术界相继提出了一些降低维度的解决方案。
论文共同第一作者、吉林大学教授王哲解释道，降低维度是指采用三维尺寸极小，可以认为是零维形态的硅“点”（零维纳米硅），以阵列形式分布在柔性基底上，形成一个软硬交联的网络来实现对脆硬材料的柔性化；或者是减小晶圆的厚度，并钝化机械损伤，从而得到一张平面（二维纳米硅）形态可以弯曲的硅薄膜。
“当前，学术界对一维（一维纳米硅）形态的半导体纤维研究相对较少，主要原因是制备极其困难。”魏磊表示，关键挑战在于如何大规模高产量地连续制造具有相当长度的、无裂纹的半导体纤维。
可编织光电传感布问世
尽管研究已发现微下拉法等从熔体出发的晶体生长法，但半导体纤维的制备仍然面临一些重大难题。
汪志勋介绍，熔芯热拉法是将生产玻璃光纤的方法稍加改动，用于制造多材料纤维的一种方法。该方法具有低成本、高速度、长纤维等特点，其纤维拉制速度可以达到每分钟数十米甚至上百米，并且单根纤维的拉制长度可以达到公里级。但是，熔芯热拉法制造出的半导体纤维往往具有形状不均匀，纤芯断裂多发等缺陷，限制了其实际应用。
“要解决半导体纤维的生产难题，熔芯热拉法是一个有潜力的办法，但需要从根本上梳理清楚缺陷发生机制，从源头上解决问题。”张其冲告诉《中国科学报》，参与研究的团队成员结合各自背景和优势，突破传统思维，从基础科学出发并结合实验验证，分阶段地把熔芯热拉法中不同的物理和化学过程清晰地归纳总结，明确了纤维制备中关键的流体和固体力学问题。
从理论模型的建立到半导体纤维的成功拉制，这支国际联合团队验证了熔芯热拉法的系统规律，并基于半导体纤维展示了可编织光电传感布的日常应用。“这种传感布可以缝成一顶帽子、一件衣服，或是以单根纤维（一维纳米硅）的形式贴服在复杂形状的表面，以实现对环境光的连续化监测、室内光通讯、健康管理甚至深海无线通讯等极端环境多种实际应用。”陈明说。
一根根“发丝”大有可为
据了解，硅、锗是电子产业中广为成熟应用的代表性材料，用它们做成的半导体纤维有一个重要优势——可以与现有技术工艺的兼容。
张其冲表示，光电传感只是这款硅锗纤维材料应用的一小块，该材料还有更广的应用，如太阳能电池、温度压力及其它信号的传感、数据储存，甚至是集成电路和微处理器，未来都有可能在这一根根“发丝”上实现，并且能够编织进日常穿着的衣物里，在感觉不到的情况下提升人们的生活品质。
“如今，我们已经在实验室实现了高质量硅锗半导体纤维材料的规模化生产，但要实现更广的应用还面临着挑战。”魏磊介绍，从纤维形态出发，目前的形状单一，而不同的器件可能要求不同形状或是具有内部结构的纤维；从材料本身出发，还需要进一步探索第三代及第四代半导体材料的纤维化制备。
张其冲透露，未来，联合研究团队将进一步研究多功能纤维材料，共同解决生产制备中的问题，让人们像贴身衣物一样携带自己需要的智能设备。
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06946-0
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