Учёные из Сингапурского университета NTU разработали ультратонкие полупроводниковые волокна, которые можно вплетать в ткани, превращая их в умную носимую электронику. Их работа опубликована в журнале Nature.

Надёжно функционирующие полупроводниковые волокна должны быть гибкими и без дефектов – это обеспечит стабильную передачу сигнала. Однако существующие методы производства подвергают волокна нагрузкам и выдают нестабильный результат, что приводит к появлению трещин и деформаций в полупроводниковых сердечниках, негативно влияя на их производительность и ограничивая их возможности.

Учёные NTU провели моделирование и симуляцию, чтобы понять, как стресс и нестабильность возникают в процессе производства. Они пришли к выводу, что проблему можно решить с помощью тщательного выбора материала и определённой последовательности действий при производстве волокна.

Они усовершенствовали механическую конструкцию аппарата по производству волокон и успешно изготовили тонкие, бездефектные волокна длиной 100 метров, что свидетельствует о возможности их коммерческого применения. Важно, что из новых волокон можно плести ткани с помощью существующих методов.

Чтобы продемонстрировать высокое качество и функциональность своих волокон, исследовательская группа NTU разработала прототипы. Среди них — умная шапка-бини, помогающая слабовидящим людям безопасно переходить дорогу, получая оповещения на мобильный телефон; рубашка, принимающая информацию и передающая её через наушник, как музейный аудиогид; и смарт-часы с ремешком, который функционирует как гибкий датчик, прилегающий к запястью пользователя, и способный измерять пульс даже во время физических нагрузок.

Команда считает, что их инновация является фундаментальным прорывом в разработке сверхдлинных и прочных полупроводниковых волокон, что означает их экономическую эффективность и масштабируемость, а также превосходные электрические и оптоэлектронные (то есть они могут детектировать, передавать и взаимодействовать со светом) характеристики.

Доцент NTU Вэй Лей (Wei Lei) из Школы электротехники и электроники (EEE) и главный исследователь сказал: «Успешное изготовление высококачественных полупроводниковых волокон стало возможным благодаря междисциплинарному характеру работы нашей команды. Изготовление полупроводниковых волокон — очень сложный процесс, требующий ноу-хау от специалистов по материаловедению, механике и электротехнике на разных этапах исследования».

«Совместные командные усилия позволили нам чётко понять механизмы, задействованные в процессе, что в конечном итоге помогло нам открыть дверь к бездефектным нитям, преодолев давнюю проблему в области волоконных технологий».

Разработка полупроводникового волокна

Для разработки бездефектных волокон команда под руководством NTU выбрала пары обычных полупроводниковых и синтетических материалов — кремниевый полупроводниковый сердечник с трубкой из кварцевого стекла и германиевый сердечник с трубкой из алюмосиликатного стекла. Материалы были выбраны на основе их характеристик, которые дополняли друг друга. К ним относятся термостабильность, электропроводность и способность пропускать электрический ток.

Кремний был выбран за то, что его можно нагревать до высоких температур и манипулировать ими без потери свойств материала, а также за способность работать в видимом световом диапазоне, что делает его идеальным для использования в устройствах, предназначенных для экстремальных условий, таких как датчики на защитной одежде для пожарных.

Германий, напротив, позволяет электронам быстро перемещаться по волокну и работает в инфракрасном диапазоне, что делает его пригодным для применения в носимых или тканевых (например, шторы, скатерть) датчиках, совместимых с беспроводными оптическими сетями Light fidelity ("LiFi") внутри помещений.

Затем учёные поместили полупроводниковый материал (сердцевину) внутрь стеклянной трубки, нагревая её при высокой температуре, пока трубка и сердцевина не стали достаточно мягкими, чтобы их можно было вытянуть в тонкую непрерывную нить (см. изображение ниже).

Благодаря различным температурам плавления и скоростям теплового расширения выбранных материалов, стекло в процессе нагревания функционировало как бутылка, содержащая полупроводниковый материал, который, подобно вину, заполнял бутылку по мере плавления.

Первый автор исследования доктор Ван Чжисюнь (Wang Zhixun), научный сотрудник Школы электротехники, сказал: «Потребовался обширный анализ, прежде чем мы нашли правильное сочетание материалов и процесса для создания наших волокон. Используя различные температуры плавления и скорости теплового расширения выбранных нами материалов, мы успешно вытянули полупроводниковые материалы в длинные нити, когда они входили и выходили из нагревательной печи, избегая при этом дефектов».

После остывания нити стекло удаляется и соединяется с полимерной трубкой и металлическими проволоками. После очередного нагрева материалы вытягиваются, образуя тонкую гибкую нить.

В лабораторных экспериментах полупроводниковые волокна показали отличную производительность. При тестировании на чувствительность волокна могли обнаруживать весь видимый диапазон света, от ультрафиолетового до инфракрасного, и надёжно передавать сигналы с полосой пропускания до 350 килогерц (кГц), что делает их лучшими в своём роде. Кроме того, волокна оказались в 30 раз прочнее обычных.

Волокна также оценивались на пригодность к стирке: ткань, сотканную из полупроводниковых волокон, стирали в стиральной машине 10 раз, и результаты не показали значительного снижения характеристик волокна.

Помощник главного исследователя, заслуженный профессор университета Гао Хуацзянь, который завершил исследование, работая в NTU, сказал: «Кремний и германий — два широко используемых полупроводника, которые обычно считаются очень хрупкими и склонными к разрушению. Изготовление сверхдлинного полупроводникового волокна демонстрирует возможность и целесообразность создания гибких компонентов с использованием кремния и германия, открывая широкие возможности для разработки гибких носимых устройств различных форм. Далее наша команда будет работать совместно, чтобы применить метод изготовления волокон к другим сложным материалам и обнаружить больше сценариев, в которых волокна играют ключевую роль».

Совместимость с промышленными методами производства намекает на лёгкость внедрения

Чтобы продемонстрировать возможность использования в реальных приложениях, команда создала умную носимую электронику с использованием созданных ими полупроводниковых волокон. Среди них — шапка-бини, свитер и часы, которые могут обнаруживать и обрабатывать сигналы.

Чтобы создать устройство, помогающее слабовидящим людям переходить оживлённые дороги, команда NTU вплела волокна в шапку-бини вместе с интерфейсной платой. При экспериментальном тестировании на открытом воздухе световые сигналы, получаемые шапкой, отправлялись в приложение для мобильного телефона, вызывая сигнал тревоги.

Рубашка, сотканная из волокон, работала как «умный топ», который можно было носить в музее или художественной галерее, чтобы получать информацию об экспонатах и передавать её в наушник, пока владелец ходит по залам.

Смарт-часы с браслетом, интегрированным с волокнами, работали как гибкий и конформный датчик для измерения частоты сердечных сокращений, в отличие от традиционных конструкций, где жёсткий датчик устанавливается на корпус смарт-часов, что может быть ненадёжным в условиях, когда пользователи очень активны, а датчик не соприкасается с кожей.

Кроме того, волокна заменили громоздкие датчики в корпусе смарт-часов, сэкономив место и освободив возможности для создания более тонких моделей часов.

Соавтор исследования доктор Ли Донг, научный сотрудник Школы механической и аэрокосмической инженерии, сказал: «Наш метод изготовления волокна универсален и легко применим в промышленности. Волокно также совместимо с современным оборудованием текстильной промышленности, что означает потенциал для крупномасштабного производства».

«Демонстрируя использование волокон в повседневных носимых вещах, таких как бини и часы, мы доказываем, что результаты наших исследований могут служить руководством для создания функциональных полупроводниковых волокон в будущем».

В качестве следующих шагов исследователи планируют разнообразить типы материалов, используемых для волокон, и придумать полупроводники с различными полыми сердечниками, например, прямоугольной или треугольной формы, чтобы расширить сферу их применения.