Nature：高性能柔性纤维！

纤维技术的最新突破使具有亲密界面的功能材料能够组装成具有特定几何形状的单个纤维，在大范围内提供多种功能，例如，用作传感器、执行器、能量收集和存储、显示和医疗器械。由于半导体是决定器件性能的关键部件，因此光纤内半导体的选择、控制和工程设计是实现高性能功能光纤的关键途径。然而，由于高产量纤维热拉伸过程中的应力发展和毛细不稳定性，半导体芯中的裂纹和变形极大地影响了这些纤维的性能。

2024年1月31日，新加坡南洋理工大学魏磊、高华建、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲及中国科学院深圳先进技术研究院陈明共同通讯在Nature 在线发表题为“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”的研究论文，该研究报告了一种机械设计，以实现超长，无断裂和无微扰半导体纤维，通过研究纤维形成的三个阶段的应力发展和毛细不稳定性:粘性流动，核心结晶和随后的冷却阶段。

该纤维可以将暴露的半导体线集成到单一的柔性光纤中，并与金属电极具有良好的接口，从而实现光电光纤和大规模光电织物。这项工作提供了极端力学和流体动力学的基本见解，这些几何形状在传统平台中是无法实现的，从根本上解决了对柔性和可穿戴光电子器件日益增长的需求。

玻璃半导体由于其加工温度低和流体特性可控，通常用于热拉伸纤维。然而，与硅(Si)和锗(Ge)等在电子产品中应用最广泛的晶体半导体相比，它们不可避免的高密度电子缺陷总是导致制造纤维的电性能较差。因此，晶体半导体的使用更有利于从根本上促进功能纤维的进一步发展。为了获得连续的长晶体半导体纤维，人们开发了各种晶体生长技术，如：Czochralski法、Bridgman - Stockbarger法、浮动区法和微拉下法。尽管如此，生长速度和制造长度通常被限制在每小时几厘米和几十厘米。

为了实现长长度半导体纤维的高产率生产，演示了熔芯法。使用这种方法，半导体芯被熔化成一种流体，这种流体受到玻璃包层的限制，并被热吸入纤维中。因此，在一次拉伸过程中，可以以每分钟几十米的速度生产出数百米以上的半导体纤维。玻璃包层和半导体芯之间的界面在很大程度上促进了芯内复杂应力的发展，导致纤维受到干扰或断裂，这主要限制了功能纤维的大规模生产。尽管不断努力优化该方法，但缺乏对纤维形成的每个阶段进行深入的力学研究，无法建立合理的机械设计来实现超长、连续、无微扰和无断裂的半导体纤维。

半导体光电光纤的设计与制造（图源自Nature ）

芯材中的应力主要由芯材与包层之间的体积变化差异引起，这种差异源于芯材的凝固和不匹配的热膨胀。岩心凝固前的扰动是由毛细不稳定性引起的。这些机理得到了模型和有限元仿真的进一步支持，通过合理的机械设计，通过材料选择和工艺优化，可以缓解和抑制这种应力和不稳定性。高质量半导体纤维的制备表明，该发现可以作为实现熔芯法机械设计的指导方针。它可以扩展到更广泛的材料范围。除了经历类似于水冰变化的异常体积膨胀的材料外，该准则也适用于具有凝固收缩的材料，这可能有助于芯层和包层的物理分离。

该研究表明，光电子纤维、织物和功能性服装可以使用半导体纤维来实现，这为实现高性能功能纤维和织物提供了一条有希望的途径，因为半导体是主要控制设备性能的关键部件。该研究可能会使功能性纤维向前所未有的传感、驱动、能量转换和计算能力迈进一步。（来源：材料plus）

来源：复合材料体验馆

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