高质量半导体纤维！南洋理工大学&深圳先进院&苏州纳米所三校联发Nature！

以硅锗为代表的半导体是现代电子产业的“大脑”—芯片不可或缺的关键材料。这些无机半导体在化学及热稳定性，电学性能，规模化生产等方面具有不可比拟的优势。然而在电子产业拥抱柔性化的新趋势下，这些半导体的本征脆性给科学家带来了不小的挑战。如何用这些半导体发挥柔性？近些年国际学术界相继提出了一些降低维度的解决方案。例如采用三维尺寸极小，可以认为是零维形态的硅“点”，以阵列形式分布在柔性基底上，形成一个软硬交联的网络来实现对脆硬材料的柔性化；或是减小晶圆的厚度，并钝化机械损伤，从而得到一张二维形态可以弯曲的硅薄膜。然而，对一维形态的半导体纤维研究相对较少，主要原因是制备异常困难。在这方面，尽管有微下拉法等从熔体出发的晶体生长法的示例，但半导体纤维的制备仍然面临一些重大难题。其关键挑战在于：如何大规模连续制造具有相当超长和无裂纹的半导体纤维。

熔芯热拉法是生产多材料纤维通用的大规模制备技术，这种方法具有低成本、高产率和超长连续等优点。然而，熔芯热拉法制造出的半导体纤维往往具有形状不均匀，纤芯断裂多发等缺陷，限制了其广泛的实际应用。要解决半导体纤维的生产难题，熔芯热拉法是一个有潜力的办法，但需要从根本上梳理清楚缺陷发生机制，从源头上解决问题。南洋理工大学魏磊副教授团队联合南洋理工大学高华健院士团队、深圳先进院陈明副研究员团队和苏州纳米所张其冲研究员团队，突破传统思维，通过多学科交叉，从基础科学出发并结合实验验证，分阶段地把熔芯热拉法中不同的物理和化学过程清晰的归纳总结，明确了纤维制备中关键的流体和固体力学问题。建立了熔芯热拉法的多阶段力学模型，利用该理论模型指导工艺优化，发展了核心半导体材料和壳体材料的机械匹配原则，有效解决了纤维拉制过程中的流体不稳定性及机械失匹导致的裂纹扩展难题，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。相关成果以《High-quality semiconductor fibres via mechanical design》为题，于北京时间2月1日发表在Nature上。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，南洋理工大学魏磊副教授/高华健院士，深圳先进院陈明副研究员和苏州纳米张其冲研究员为共同通讯作者。这项工作获得了审稿人的高度评价：“作者们展示了令人印象深刻的一系列对于光电纤维及其应用于可穿戴器件的重要创新和进展”（“Wang and collaborators presents an impressively broad range of important innovations and advancements in optoelectronic fibres and their development into functional wearable devices”；“重要且打破了传统思维”（“important and breaks with conventional thinking”）以及“过去十年中可穿戴电子突飞猛进，而这项工作是该领域重大成就的代表之一”（“this field of wearable electronics has grown substantially over the past decade and this work represents one of the most important series of multiple contributions”）

图1. 半导体光电纤维的设计与制备

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。

图2. 熔芯热拉法中的应力和毛细管不稳定性分析

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3. 光电纤维和大面积光电织物

半导体是决定电子器件性能的关键材料，高质量的半导体纤维可能会使具有传感、数据储存，甚至是集成电路和微处理器等功能的纤维器件快速发展，从而提供具有经济和社会效益的创新。高质量半导体纤维的规模化生产已经实现突破，但要实现广泛的应用，还面临一些机遇和挑战。从纤维形态出发，目前的形状单一，而不同的器件可能要求不同形状或是具有内部结构的纤维；从材料来说，也需要探索第三代及第四代半导体材料的纤维化制备。致力于多功能纤维的发展，共同解决生产制备过程中重大难题，从而发挥功能纤维巨大的应用潜力。

论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-023-06946-0