科學家研制出高品質Si／Ge半導體纖維及其柔性傳感器

中國科學院深圳先進技術研究院材料所光子信息與能源材料研究中心楊春雷課題組陳明研究團隊，聯合新加坡南洋理工大學教授魏磊和中國科學院外籍院士高華健團隊、中國科學院蘇州納米所研究員張其沖團隊，在《自然》(Nature)上發表了題為High-quality Semiconductor Fibres via Mechanical Design的研究論文。該研究報道了一種基于熱拉制工藝的大規模生產高質量半導體硅、鍺纖維的制備技術，實現了硅、鍺等傳統脆性半導體的纖維化和柔性化，并以光電纖維pn結為例演示了半導體纖維在柔性電子領域的創新應用。

　　一維纖維作為新興的無機半導體材料應用形態，具有細和柔的獨特優勢。它為柔性電子器件與人們日常衣著的無縫融合、柔性電子設備與日常生活的無感鏈接提供了新的可能性。然而，快速和大長度的高質量半導體纖維制備技術是科學界的挑戰。該研究從傳統的光纖制備及熱拉制工藝中獲得靈感，將單一材料纖維的熱拉制法擴展為多材料的制備工藝，并從固體力學和流體力學的角度出發，解決了無機半導體纖維熱拉制過程中的多材料體系應力失配和流體不穩定性問題，實現了每分鐘數米至數十米高速拉制長達數百米的Si/Ge半導體纖維制備策略。研究進一步采用收斂熱拉制法，在單根頭發絲粗細的纖維內建立絕緣體、導體和半導體之間緊密穩固的材料界面，在一次拉制的同時完成器件的裝配及封裝，形成的光電纖維探測器在極端環境下表現出優異穩定性，可在水下三千米甚至更深的壓力環境下穩定工作。

　　這種柔韌穩定的“頭發絲”型傳感器既可以單獨使用又可以編織進布料中，從而將被動式的衣物打造成功能性“智能”穿著。該研究首次明確了“纖芯-包層”力學相互作用，提出了半導體纖維拉制的普適性策略，突破了無機半導體纖芯拉絲制備過程中無裂紋結晶的長期科學難題。