_ Oamenii de știință dezvoltă semiconductor ultra-subțire fibre care transformă țesăturile în electronice portabile

Oamenii de știință de la NTU Singapore au dezvoltat fibre semiconductoare ultra-subțiri care pot fi țesute în țesături, transformându-le în electronice inteligente portabile. Lucrarea lor a fost publicată în revista Nature.

Pentru a crea fibre semiconductoare funcționale în mod fiabil, acestea trebuie să fie flexibile și fără defecte pentru o transmisie stabilă a semnalului. Cu toate acestea, metodele de fabricație existente provoacă stres și instabilitate, ducând la fisuri și deformări în miezurile semiconductoarelor, impactând negativ performanța acestora și limitând dezvoltarea lor.

Oamenii de știință de la NTU au efectuat modelări și simulări pentru a înțelege cum apar stresul și instabilitatea în timpul procesul de fabricatie. Ei au descoperit că provocarea ar putea fi depășită printr-o selecție atentă a materialelor și o serie specifică de pași luați în timpul producției de fibre.

Au dezvoltat un design mecanic și au fabricat cu succes fibre subțiri, fără defecte, care se întind pe 100 de metri. ceea ce indică scalabilitatea sa pe piață. Este important că noile fibre pot fi țesute în țesături folosind metodele existente.

Pentru a demonstra calitatea și funcționalitatea înaltă a fibrelor lor, echipa de cercetare NTU a dezvoltat prototipuri. Acestea au inclus o pălărie inteligentă pentru a ajuta o persoană cu deficiențe de vedere să traverseze drumul în siguranță, primind alerte pe o aplicație pentru telefonul mobil; o cămașă care primește informații și o transmite printr-o cască, ca un ghid audio de muzeu; și un ceas inteligent cu o curea care funcționează ca un senzor flexibil care se conformează încheieturii utilizatorilor pentru măsurarea ritmului cardiac chiar și în timpul activităților fizice.

Echipa consideră că inovația lor este o descoperire fundamentală în dezvoltarea semiconductorilor. fibre care sunt ultralungi și durabile, ceea ce înseamnă că sunt rentabile și scalabile, oferind în același timp performanțe electrice și optoelectronice excelente (ceea ce înseamnă că poate simți, transmite și interacționa cu lumina).

Profesor asociat NTU Wei Lei la Școala de Inginerie Electrică și Electronică (EEE) și investigatorul principal al studiului a declarat: „Fabricarea cu succes a fibrelor noastre semiconductoare de înaltă calitate se datorează naturii interdisciplinare a echipei noastre.

„Semiconductor Fabricarea fibrelor este un proces extrem de complex, care necesită cunoștințe din partea experților în știința materialelor, în inginerie mecanică și electrică în diferite etape ale studiului.

„Efortul colaborativ al echipei ne-a permis o înțelegere clară a mecanismelor implicate. , care în cele din urmă ne-a ajutat să deschidem ușa către firele fără defecte, depășind o provocare de lungă durată în tehnologia fibrelor.”

Pentru a-și dezvolta fibrele fără defecte, echipa condusă de NTU a selectat perechi de semiconductori obișnuiți. material și material sintetic — un miez semiconductor de siliciu cu un tub de sticlă de silice și un miez de germaniu cu un tub de sticlă aluminosilicat. Materialele au fost selectate pe baza atributelor lor care s-au completat reciproc.

Acestea au inclus stabilitatea termică, conductivitatea electrică și capacitatea de a permite curentului electric să circule (rezistivitate).

Siliciu. a fost selectat pentru capacitatea sa de a fi încălzit la temperaturi ridicate și manipulat fără a se degrada și pentru capacitatea sa de a lucra în intervalul de lumină vizibilă, făcându-l ideal pentru utilizarea în dispozitive destinate condițiilor extreme, cum ar fi senzorii de pe îmbrăcămintea de protecție a pompierilor.

Germaniul, pe de altă parte, permite electronilor să se deplaseze rapid prin fibră (mobilitatea purtătorului) și să lucreze în intervalul infraroșu, ceea ce îl face potrivit pentru aplicații în materiale purtabile sau pe bază de țesătură (adică, perdele, față de masă). ) senzori care sunt compatibili cu rețelele optice fără fir de fidelitate la lumină („LiFi”) de interior.

În continuare, oamenii de știință au introdus materialul semiconductor (miezul) în interiorul tubului de sticlă, încălzindu-l la temperatură ridicată până când tubul și miezul au fost suficient de moi pentru a fi trase într-un fir continuu subțire (vezi imaginea de mai jos).

Datorită diferitelor puncte de topire și ratelor de dilatare termică ale materialelor selectate, sticla a funcționat ca o sticlă de vin în timpul procesului de încălzire, conținând materialul semiconductor care, ca și vinul, umple sticla, pe măsură ce se topește. .

Primul autor al studiului, Dr. Wang Zhixun, cercetător în cadrul Școlii de EEE, a declarat: „A fost nevoie de o analiză amplă înainte de a ajunge la combinația potrivită de materiale și proces pentru a dezvolta fibrele noastre. Prin exploatarea diferitele puncte de topire și ratele de expansiune termică ale materialelor alese, am tras cu succes materialele semiconductoare în fire lungi pe măsură ce au intrat și ieșit din cuptorul de încălzire, evitând în același timp defectele."

Sticlă este îndepărtată odată ce firul se răcește. și combinat cu un tub de polimer și fire metalice. După o altă rundă de încălzire, materialele sunt trase pentru a forma un fir flexibil, subțire ca păr.

În experimentele de laborator, fibrele semiconductoare au arătat performanțe excelente. Atunci când sunt supuse testelor de responsibilitate, fibrele ar putea detecta întreaga gamă de lumină vizibilă, de la ultraviolet la infraroșu, și pot transmite puternic semnale de până la 350 de kiloherți (kHz), făcându-l o performanță de top de acest gen. Mai mult decât atât, fibrele au fost de 30 de ori mai dure decât cele obișnuite.

Fibrele au fost, de asemenea, evaluate pentru lavabilitatea lor, în care o cârpă țesută cu fibre semiconductoare a fost curățată într-o mașină de spălat de 10 ori, iar rezultatele nu au arătat că nu sunt semnificative. scăderea performanței fibrelor.

Co-investigatorul principal, profesorul universitar distins Gao Huajian, care a finalizat studiul în timp ce era la NTU, a spus: „Siliciul și germaniul sunt doi semiconductori folosiți pe scară largă care sunt de obicei considerați foarte fragilă și predispusă la fracturi.

„Fabricarea fibrei semiconductoare ultra-lungi demonstrează posibilitatea și fezabilitatea realizării de componente flexibile folosind siliciu și germaniu, oferind un spațiu extins pentru dezvoltarea dispozitivelor portabile flexibile de diferite forme.

„În continuare, echipa noastră va lucra în colaborare pentru a aplica metoda de fabricare a fibrelor altor materiale provocatoare și pentru a descoperi mai multe scenarii în care fibrele joacă un rol cheie.”

Compatibilitate cu metodele de producție ale industriei indicii pentru o adoptare ușoară

Pentru a demonstra fezabilitatea utilizării în aplicații reale, echipa a construit electronice inteligente, portabile, folosind fibrele semiconductoare nou create. Acestea includ un beanie, un pulover și un ceas care poate detecta și procesa semnale.

Pentru a crea un dispozitiv care să ajute persoanele cu deficiențe de vedere în traversarea drumurilor aglomerate, echipa NTU a țesut fibre într-o pălărie beanie, de-a lungul cu o placă de interfață. Când au fost testate experimental în aer liber, semnalele luminoase primite de beanie au fost trimise către o aplicație pentru telefonul mobil, declanșând o alertă.

O cămașă țesută cu fibre, între timp, a funcționat ca un „top inteligent”, care putea fi purtat la un muzeu sau la o galerie de artă pentru a primi informații despre exponate și a le introduce într-o cască în timp ce purtătorul se plimba prin camere.

Un ceas inteligent cu o brățară integrată cu fibrele a funcționat ca un senzor flexibil și conform pentru măsoară ritmul cardiac, spre deosebire de modelele tradiționale în care pe corpul smartwatch-ului este instalat un senzor rigid, care poate să nu fie de încredere în circumstanțe în care utilizatorii sunt foarte activi și senzorul nu este în contact cu pielea.

În plus, fibrele au înlocuit senzorii voluminosi din corpul ceasului inteligent, economisind spațiu și eliberând oportunități de design pentru modele de ceasuri mai subțiri.

Coautorul Dr. Li Dong, cercetător la Școala de Inginerie Mecanică și Aerospațială, a declarat: „Metoda noastră de fabricare a fibrelor este versatilă și ușor de adoptat de către industrie. Fibra este, de asemenea, compatibilă cu textilele actuale. mașini din industrie, ceea ce înseamnă că are potențialul de producție la scară largă.

„Prin demonstrarea utilizării fibrelor în articolele de zi cu zi, cum ar fi un beanie și un ceas, demonstrăm că rezultatele cercetării noastre pot servi drept ghid. pentru a crea fibre semiconductoare funcționale în viitor.”

Pentru următorii pași, cercetătorii intenționează să extindă tipurile de materiale utilizate pentru fibre și să creeze semiconductori cu diferite miezuri goale, cum ar fi dreptunghiulare și forme triunghiulare, pentru a-și extinde aplicațiile.

(Fluierul)