Ученые из Национального университета Сингапура разработали ультратонкие полупроводниковые волокна, которые можно вплетать в ткани, превращая их в интеллектуальную носимую электронику. Их работа была опубликована в журнале Nature. Чтобы создать надежно функционирующие полупроводниковые волокна, они должны быть гибкими и без дефектов для стабильной передачи сигнала. Однако существующие методы изготовления вызывают напряжение и нестабильность, что приводит к трещинам и деформациям в полупроводниковых сердечниках, отрицательно влияя на их производительность и ограничивая их развитие. Ученые NTU провели моделирование, чтобы понять, как возникают напряжение и нестабильность в процессе производства. Они обнаружили, что эту проблему можно преодолеть благодаря тщательному выбору материала и определенной серии шагов, предпринимаемых при производстве волокна. Они разработали механическую конструкцию и успешно изготовили тонкие, как волос, бездефектные волокна длиной 100 метров, что свидетельствует о его масштабируемости на рынке. Важно отметить, что новые волокна можно вплетать в ткани существующими методами.
Чтобы продемонстрировать высокое качество и функциональность своих волокон, исследовательская группа NTU разработала прототипы. К ним относились умная шапочка-бини, которая помогает слабовидящему человеку безопасно переходить дорогу, получая оповещения в приложении для мобильного телефона; рубашка, которая получает информацию и передает ее через наушник, как музейный аудиогид; и умные часы с ремешком, который функционирует как гибкий датчик, приспосабливающийся к запястью пользователей для измерения частоты сердечных сокращений даже во время физической активности. Команда считает, что их инновация является фундаментальным прорывом в разработке полупроводниковых волокон, которые являются сверхдлинными и долговечными, что означает, что они экономичны и масштабируемы, обеспечивая при этом отличные электрические и оптоэлектронные характеристики (это означает, что они могут воспринимать, передавать и взаимодействовать со светом). Доцент NTU Вэй Лей из Школы электротехники и электронной инженерии (EEE) и ведущий исследователь исследования сказал: "Успешное изготовление наших высококачественных полупроводниковых волокон стало возможным благодаря междисциплинарному характеру нашей команды.
"Изготовление полупроводниковых волокон - очень сложный процесс, требующий ноу-хау от специалистов в области материаловедения, механики и электротехники на разных этапах исследования. "Совместная работа команды позволила нам четко понять задействованные механизмы, что в конечном итоге помогло нам открыть дверь к бездефектным нитям, преодолев давнюю проблему в волоконной технологии". Для разработки своих бездефектных волокон команда, возглавляемая NTU, выбрала пары из обычного полупроводникового материала и синтетического материала - кремниевый полупроводниковый сердечник с трубкой из кварцевого стекла и германиевый сердечник с трубкой из алюмосиликатного стекла. Материалы были выбраны на основе их свойств, которые дополняли друг друга. К ним относились термостойкость, электропроводность и способность пропускать электрический ток (удельное сопротивление). Кремний был выбран за его способность нагреваться до высоких температур и манипулировать им без разрушения, а также за его способность работать в диапазоне видимого света, что делает его идеальным для использования в устройствах, предназначенных для экстремальных условий, таких как датчики на защитной одежде пожарных.
Германий, с другой стороны, позволяет электронам быстро перемещаться по волокну (мобильность носителя) и работать в инфракрасном диапазоне, что делает его подходящим для применения в носимых или тканевых датчиках (например, занавесках, скатертях), совместимых с беспроводной оптической системой контроля освещенности в помещении ("LiFi"). сети. Затем ученые вставили полупроводниковый материал (сердцевину) внутрь стеклянной трубки, нагревая его при высокой температуре до тех пор, пока трубка и сердцевина не стали достаточно мягкими, чтобы их можно было вытянуть в тонкую непрерывную нить. Из-за различных температур плавления и коэффициентов теплового расширения выбранных материалов стекло в процессе нагревания функционировало подобно винной бутылке, содержащей полупроводниковый материал, который, подобно вину, заполняет бутылку по мере ее расплавления. Первый автор исследования доктор Ван Чжисюнь, научный сотрудник Школы EEE, сказал: "Потребовался тщательный анализ, прежде чем выбрать правильную комбинацию материалов и технологического процесса для разработки наших волокон. Используя различные температуры плавления и коэффициенты теплового расширения выбранных нами материалов, мы успешно вытягивали полупроводниковые материалы в длинные нити по мере их поступления в нагревательную печь и выхода из нее, избегая при этом дефектов".
Стекло удаляется, как только нить остывает, и соединяется с полимерной трубкой и металлическими проволоками. После очередного цикла нагрева материалы вытягиваются, образуя гибкую нить толщиной с волос. В лабораторных экспериментах полупроводниковые волокна показали отличные эксплуатационные характеристики. После проведения тестов на чувствительность волокна смогли обнаруживать весь диапазон видимого света, от ультрафиолетового до инфракрасного, и надежно передавать сигналы с полосой пропускания до 350 килогерц (кГц), что делает их лучшими в своем роде. Более того, волокна были в 30 раз жестче обычных. Волокна также оценивались на предмет их пригодности для стирки, в ходе которой ткань, сотканную из полупроводниковых волокон, стирали в стиральной машине 10 раз, и результаты не показали существенного снижения эксплуатационных характеристик волокна. Соруководитель исследования, заслуженный профессор университета Гао Хуаджянь, который завершил исследование, когда работал в NTU, сказал: "Кремний и германий - это два широко используемых полупроводника, которые обычно считаются очень хрупкими и склонными к разрушению.
"Изготовление сверхдлинного полупроводникового волокна демонстрирует возможность и осуществимость изготовления гибких компонентов с использованием кремния и германия, предоставляя широкие возможности для разработки гибких носимых устройств различных форм. "Далее наша команда будет совместно работать над применением метода производства волокон к другим сложным материалам и выявлением новых сценариев, в которых волокна играют ключевую роль". Чтобы продемонстрировать возможность использования в реальных приложениях, команда создала интеллектуальную носимую электронику, используя недавно созданные полупроводниковые волокна. К ним относятся шапочка, свитер и часы, которые могут обнаруживать и обрабатывать сигналы. Чтобы создать устройство, помогающее слабовидящим переходить оживленные дороги, команда NTU вплела волокна в шапку-бини вместе с интерфейсной платой. При экспериментальном тестировании на открытом воздухе световые сигналы, принимаемые шапочкой, отправлялись в приложение для мобильного телефона, вызывая оповещение.
Рубашка, сотканная из этих волокон, тем временем функционировала как "умный топ", который можно было надеть в музее или художественной галерее, чтобы получать информацию об экспонатах и передавать ее в наушник, когда владелец ходил по залам. Умные часы с браслетом, интегрированным с волокнами, функционировали как гибкий и конформный датчик для измерения частоты сердечных сокращений, в отличие от традиционных конструкций, где жесткий датчик установлен на корпусе умных часов, что может быть ненадежным в условиях, когда пользователи очень активны, и датчик не контактирует с кожа. Более того, волокна заменили громоздкие датчики в корпусе умных часов, сэкономив пространство и освободив дизайнерские возможности для создания более тонких моделей часов.
Соавтор доктор Ли Донг, научный сотрудник Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии, сказал: "Наш метод изготовления волокна универсален и легко внедряется промышленностью. Волокно также совместимо с современным оборудованием для текстильной промышленности, что означает, что у него есть потенциал для крупномасштабного производства. "Демонстрируя использование волокон в повседневных предметах одежды, таких как шапочка и часы, мы доказываем, что результаты наших исследований могут послужить руководством к созданию функциональных полупроводниковых волокон в будущем". В качестве следующих шагов исследователи планируют расширить типы материалов, используемых для изготовления волокон, и разработать полупроводники с различными полыми сердечниками, такими как прямоугольной и треугольной формы, для расширения их применения.
