苏州纳米所张其冲等合作Nature：通过机械设计制备高质量半导体纤维

纤维技术的最新突破将具有紧密界面的功能材料在一维限域空间内实现精准组装。由于半导体是控制器件性能的关键组件，因此纤维内部半导体的选择、控制和工程化是实现高性能功能纤维的关键途径。由于加工温度低和流体行为可控，玻璃状半导体通常用于热拉光纤。然而，与电子领域最广泛使用的晶体半导体（例如硅和锗）相比，它们不可避免的高密度电子缺陷导致所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推动功能纤维的进一步发展。

为了获得连续超长晶体半导体纤维，研究者开发了各种晶体生长技术，例如直拉法、布里奇曼-斯托克巴格法、浮区法和微下拉法。尽管如此，生长速度和制造长度通常仅限于每小时几厘米和几十厘米。熔芯光纤热拉法通过物理熔融再拉伸物理尺寸减小的工艺成为一种柔性功能纤维的大规模制备通用技术。使用这种方法，半导体芯被熔化成流体流，该流体流被玻璃包层限制并热拉成光纤。 因此，可以在一次拉丝过程中以每分钟几十米的速度生产超过数百米的半导体纤维。 玻璃包层和半导体纤芯之间的界面对纤芯中复杂应力的发展有很大影响，导致纤维受到扰动或断裂，这严重制约了功能纤维的大规模生产。尽管光纤热拉法得到了不断地改善，但缺乏对纤维形成的每个阶段进行彻底的机械研究，无法建立合理的机械设计来实现超长、连续、无扰动和无断裂的半导体纤维。

近日，新加坡南洋理工大学魏磊副教授/高华健院士联合中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张其冲项目研究员，以熔融芯法纤维形成三个阶段（粘性流动、芯结晶和随后的冷却）的应力发展和毛细管不稳定性的理论研究为指导，发展了核心半导体材料和壳体材料的机械匹配原则，突破脆性无机半导体材料的纤维柔性化技术，实现超长、无断裂和无扰动无机半导体纤维的连续化制备。然后，采用新开发的收敛热拉法将半导体纤维集成到具有不同设计的导体、半导体和绝缘体复合结构中，由此获得的光电纤维在 2 V 偏压下表现出高达 0.55 A W^-1 的响应度和短至 900 ns 的响应时间，与商用平面型光电探测器相当，解决了高性能的无机半导体材料与热拉法制备纤维的兼容性问题。更重要的是，这些纤维的柔软轻便和出色的机械性能使其特别适合构建大面积光电织物，同时保持轻质、舒适性、可机洗和透气性等有利特性。研究团队进一步展示了光电织物的广泛应用，包括个人辅助设备、用于织物间通信的可穿戴Li-Fi系统、用于个人健康监测的智能手表带以及水下可见光通信系统。这项工作为从传统材料和器件形态中无法企及的极端力学和流体动力学提供了新的见解，有望促进解决对高性能柔性半导体材料和可穿戴电子器件日益增长的需求。

图1. 半导体光电纤维的设计与制备

图2. 熔芯法中的应力分析和毛细管不稳定性

图3. 光电纤维和大型光电织物

纤芯材料中的应力主要是由纤芯和包层之间的体积变化差异引起的，这种差异源自纤芯凝固和不匹配的热膨胀。纤芯凝固前的扰动是由毛细管不稳定性引起的。这些机制得到建模和有限元模拟的进一步支持，通过材料选择和工艺优化进行合理的力学设计可以缓解和抑制此类应力和不稳定性。熔芯法的力学设计为高质量半导体纤维的发展提供了新的研究方向，并有望扩展到更广泛的材料范围。使用半导体纤维来实现光电纤维、织物和功能性服装，为实现高性能功能性纤维和织物提供了一条有前途的途径。因为半导体是主要控制设备性能的关键组件，这一重大突破可能会使功能纤维朝着高性能可穿戴传感、驱动、能量转换和计算能力迈进一步, 从而提供具有经济和社会效益的创新。

该成果以High-quality semiconductor fibres via mechanical design为题发表于Nature，南洋理工大学博士后汪志勋、李栋和吉林大学教授王哲为共同第一作者，中国科学院苏州纳米所张其冲项目研究员、中国科学院深圳先进院陈明副研究员、南洋理工大学高华健教授、魏磊副教授为共同通讯作者。该工作得到了中国科学院“率先行动”引才计划和江苏省青年基金等项目的支持。