第一作者：Zhixun Wang，Zhe Wang，Dong Li
通讯作者：Lei Wei，Huajian Gao，Ming Chen，Qichong Zhang
通讯单位：南洋理工大学，中科院深圳高级技术所，中科院苏州纳米所
DOI: 10.1038/s41586-023-06946-0
背景介绍
玻璃半导体由于其低加工温度和可控的流体行为，通常用于热拉伸纤维。然而，与在电子领域应用最广泛的晶体半导体（如硅（Si）和锗（Ge））相比，它们不可避免的高密度电子缺陷总是导致制造的纤维的电性能较差。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，已经开发了各种晶体生长技术，如Czochralski、Bridgman–Stockbarger、浮动区和微下拉方法。尽管如此，生长速率和制造长度通常被限制为每小时几厘米和几十厘米。为了在延长的长度上实现高产量的半导体纤维生产，演示了熔芯法。使用这种方法，半导体芯被熔化成由玻璃包层限制的流体流，并被热拉成纤维。因此，在一次拉伸过程中，可以以每分钟几十米的速度生产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导致了芯中复杂的应力发展，导致纤维受到扰动或断裂，这主要限制了功能纤维的大规模生产。尽管不断努力优化这种方法，但缺乏对纤维形成的每个阶段的彻底机械研究，无法建立合理的机械设计，以实现超长、连续、无扰动和无断裂的半导体纤维。
本文亮点
1. 本工作报告了一种实现超长、无断裂和无扰动半导体纤维的机械设计，其指导是对纤维形成的三个阶段（粘性流、芯结晶和随后的冷却阶段）的应力发展和毛细管不稳定性的研究。
2. 暴露的半导体导线可以集成到具有与金属电极的明确界面的单个柔性纤维中，从而实现光电子纤维和大规模光电子织物。
3. 这项工作为具有传统平台无法访问的几何形状的极端力学和流体动力学提供了基本见解，基本上解决了对柔性和可穿戴光电子日益增长的需求。
图文解析
图1. 半导体光电子纤维的设计和制造。
a、 熔芯法示意图。预制棒由玻璃包层（紫色）和半导体芯（黑色）制成，被拉伸到纤维尺寸。b、 纤维芯的几何形状与毛细管不稳定性的发展相对应。显示了具有不同程度毛细管不稳定性的纤维的示意图（左）和光学图像（右）。比例尺，100 μm。c、 纤维芯几何形状与不同的应力水平有关。纤维的示意图（左）和光学图像（右）显示了在制造过程中形成的应力作用下完整和开裂的纤芯。比例尺，100 μm。d、 大约一百米的连续半导体芯纤维通过一次拉丝工艺制成。玻璃包层可以通过酸蚀刻去除。e、 会聚纤维拉伸技术示意图。暴露的半导体纤维和金属丝在该过程中保持其坚固性。在颈缩区域中形成材料的紧密界面。f、 由由此产生的光电子纤维实现的大规模功能织物。
图2. 熔芯法中的应力分析和毛细管不稳定性。
a、 显示液体半导体芯的小柱在Δt的短时间内固化的示意图。在稳态热拉伸过程中，液固界面的位置保持不变。b、 显示冷却阶段热失配的示意图。c–e，Si/二氧化硅（c）、Ge/二氧化硅（d）和Ge/ASG（e）纤维固化半导体芯中最大主应力的演变。f–h，Si/二氧化硅（f）、Ge/二氧化硅（g）和Ge/ASG（h）纤维芯和包层中应力分量的径向分布。i、 j，Ge/BSG（i）和Ge/ASG（j）纤维的总生长因子的等高线图。绿色区域表示半导体芯不受毛细管不稳定性增长影响的纤维拉伸条件。
图3. 光电子纤维、织物和代表性应用。
a、 左、中：单芯光电光纤。左和中：单芯光电子光纤的侧视图（左）和横截面（中）的光学图像，其中芯半导体通过一层CPC连接到每个铜电极。右图：由此产生的光电子光纤显示出伪全向响应，可保持不同方向的灵敏度。PC、聚碳酸酯。比例尺，50 μm。b、 左和中：双核p–n结光纤的侧视图（左）和横截面（中）的光学图像。右图：p–n结光纤的I–V特性。比例尺，50 μm。c、 所得光电子纤维的整体性能评估。硅光电纤维的NEP值被放大10倍以进行可视化。对于响应度和NEP的测量，n = 所有情况下为9。对于其他测量，n = 所有情况下为6。所有数据均以平均值表示 ± s.d.d，顶部：用于户外辅助穿戴设备演示的功能性无檐便帽。接口板被放置在无檐帽尖端内。底部：无檐便帽接收到的信号在移动应用程序中可视化。e、 上衣：适用于室内Li-Fi通信系统的功能性毛衣。中间：通过功能毛衣接收数据的框图。下图：一张建筑（南洋理工大学学习中心）的照片通过毛衣发送和接收。f、 上图：表带通过光电体积描记术测量心脏脉冲。传统上，刚性传感器安装在手表背面。光电子纤维被编织到表带中，将表带变成一个灵活的保形传感器。底部：光纤和商用传感器之间测量脉冲的比较。g、 上图：用于水下可见光通信系统的光纤接收器阵列。每45°将纤维保形地连接到迷你潜艇上，将迷你潜艇的圆周分为8个部分，每个纤维代表一个特定的角度。底部：当135°光纤接收到信号时，移动应用程序中的命令行显示“转动135°”。
视频1.
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