Wissenschaftler der NTU Singapur haben ultradünne Halbleiterfasern entwickelt, die in Stoffe eingewebt werden können und diese in intelligente tragbare Elektronik verwandeln. Ihre Arbeit war veröffentlicht im Tagebuch Natur.
Um zuverlässig funktionierende Halbleiterfasern herzustellen, müssen sie für eine stabile Signalübertragung flexibel und fehlerfrei sein. Bestehende Fertigungsmethoden verursachen jedoch Spannungen und Instabilität, was zu Rissen und Verformungen in den Halbleiterkernen führt, was sich negativ auf deren Leistung auswirkt und deren Entwicklung einschränkt.
NTU-Wissenschaftler führten Modellierungen und Simulationen durch, um zu verstehen, wie Spannungen und Instabilität während des Herstellungsprozesses auftreten. Sie fanden heraus, dass die Herausforderung durch eine sorgfältige Materialauswahl und eine spezifische Reihe von Schritten während der Faserproduktion gemeistert werden konnte.
Sie entwickelten ein mechanisches Design und stellten erfolgreich haardünne, fehlerfreie Fasern mit einer Länge von 100 Metern her, was auf die Skalierbarkeit des Produkts auf dem Markt hinweist. Wichtig ist, dass die neuen Fasern mit bestehenden Methoden zu Stoffen verwoben werden können.
Um die hohe Qualität und Funktionalität ihrer Fasern zu demonstrieren, entwickelte das NTU-Forschungsteam Prototypen. Dazu gehörte eine intelligente Beanie-Mütze, die einer sehbehinderten Person hilft, die Straße sicher zu überqueren, indem sie Benachrichtigungen über eine Mobiltelefonanwendung erhält; ein Hemd, das Informationen empfängt und über einen Ohrhörer weiterleitet, wie ein Museums-Audioguide; und eine Smartwatch mit einem Armband, das als flexibler Sensor fungiert, der sich dem Handgelenk des Benutzers anpasst und die Herzfrequenz auch bei körperlichen Aktivitäten misst.
Bildnachweis: Nanyang Technological University
Das Team ist davon überzeugt, dass ihre Innovation einen grundlegenden Durchbruch in der Entwicklung von Halbleiterfasern darstellt, die extrem lang und langlebig sind, was bedeutet, dass sie kostengünstig und skalierbar sind und gleichzeitig hervorragende elektrische und optoelektronische Eigenschaften bieten (das heißt, sie können Licht erfassen, übertragen und mit Licht interagieren). Leistung.
NTU-Assoziierter Professor Wei Lei von der School of Electrical and Electronic Engineering (EEE) und leitender Hauptforscher der Studie sagte: „Die erfolgreiche Herstellung unserer hochwertigen Halbleiterfasern ist dem interdisziplinären Charakter unseres Teams zu verdanken.“
„Die Herstellung von Halbleiterfasern ist ein hochkomplexer Prozess, der das Know-how von Experten aus den Bereichen Materialwissenschaft, Maschinenbau und Elektrotechnik in verschiedenen Phasen der Studie erfordert.
„Die gemeinsame Teamarbeit ermöglichte uns ein klares Verständnis der beteiligten Mechanismen, was uns letztendlich dabei half, die Tür zu fehlerfreien Fäden zu öffnen und eine seit langem bestehende Herausforderung in der Fasertechnologie zu meistern.“
Entwicklung von Halbleiterfasern
Um ihre defektfreien Fasern zu entwickeln, wählte das von der NTU geleitete Team Paare aus üblichem Halbleitermaterial und synthetischem Material aus – einen Silizium-Halbleiterkern mit einer Quarzglasröhre und einen Germaniumkern mit einer Aluminosilikatglasröhre. Die Materialien wurden aufgrund ihrer Eigenschaften ausgewählt, die sich gegenseitig ergänzten.
Dazu gehörten thermische Stabilität, elektrische Leitfähigkeit und die Fähigkeit, elektrischen Strom durchzulassen (Widerstand).
Silizium wurde aufgrund seiner Fähigkeit ausgewählt, auf hohe Temperaturen erhitzt und manipuliert zu werden, ohne sich zu verschlechtern, und aufgrund seiner Fähigkeit, im Bereich des sichtbaren Lichts zu arbeiten, was es ideal für den Einsatz in Geräten macht, die für extreme Bedingungen ausgelegt sind, wie z. B. Sensoren an der Schutzkleidung von Feuerwehrleuten.
Germanium hingegen ermöglicht es Elektronen, sich schnell durch die Faser zu bewegen (Trägermobilität) und im Infrarotbereich zu arbeiten, was es für Anwendungen in tragbaren oder stoffbasierten Sensoren (z. B. Vorhänge, Tischdecken) geeignet macht, die mit kompatibel sind Drahtlose optische Netzwerke mit Lichttreue („LiFi“) für den Innenbereich.
Als nächstes führten die Wissenschaftler das Halbleitermaterial (Kern) in die Glasröhre ein und erhitzten es bei hoher Temperatur, bis die Röhre und der Kern weich genug waren, um zu einem dünnen, durchgehenden Strang gezogen zu werden (siehe Bild unten).
Aufgrund der unterschiedlichen Schmelzpunkte und Wärmeausdehnungsraten der ausgewählten Materialien funktionierte das Glas während des Erhitzungsprozesses wie eine Weinflasche und enthielt das Halbleitermaterial, das die Flasche beim Schmelzen wie Wein füllt.
Der Erstautor der Studie, Dr. Wang Zhixun, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der School of EEE, sagte: „Es bedurfte umfangreicher Analysen, bevor wir die richtige Kombination von Materialien und Prozessen für die Entwicklung unserer Fasern fanden. Durch Ausnutzung der unterschiedlichen Schmelzpunkte und Wärmeausdehnungsraten.“ Bei den von uns ausgewählten Materialien konnten wir die Halbleitermaterialien beim Ein- und Austritt aus dem Heizofen erfolgreich in lange Fäden ziehen und dabei Defekte vermeiden.“
Sobald der Strang abgekühlt ist, wird das Glas entfernt und mit einem Polymerrohr und Metalldrähten kombiniert. Nach einer weiteren Erhitzungsrunde werden die Materialien zu einem haardünnen, flexiblen Faden gezogen.
In Laborexperimenten zeigten die Halbleiterfasern eine hervorragende Leistung. Bei Reaktionstests konnten die Fasern den gesamten sichtbaren Lichtbereich von Ultraviolett bis Infrarot erfassen und Signale mit einer Bandbreite von bis zu 350 Kilohertz (kHz) zuverlässig übertragen, was sie zu einem Spitzenreiter ihrer Art macht. Darüber hinaus waren die Fasern 30-mal härter als normale Fasern.
Die Fasern wurden auch auf ihre Waschbarkeit untersucht, wobei ein mit Halbleiterfasern gewebter Stoff zehnmal in einer Waschmaschine gereinigt wurde. Die Ergebnisse zeigten keinen signifikanten Rückgang der Faserleistung.
Der stellvertretende Hauptforscher, Professor Gao Huajian von der Distinguished University, der die Studie während seiner Zeit an der NTU abgeschlossen hat, sagte: „Silizium und Germanium sind zwei weit verbreitete Halbleiter, die normalerweise als sehr spröde und bruchanfällig gelten.“
„Die Herstellung ultralanger Halbleiterfasern zeigt die Möglichkeit und Machbarkeit der Herstellung flexibler Komponenten aus Silizium und Germanium und bietet umfassenden Raum für die Entwicklung flexibler tragbarer Geräte verschiedener Formen.
„Als nächstes wird unser Team zusammenarbeiten, um die Faserherstellungsmethode auf andere anspruchsvolle Materialien anzuwenden und weitere Szenarien zu entdecken, in denen die Fasern eine Schlüsselrolle spielen.“
Die Kompatibilität mit den Produktionsmethoden der Industrie deutet auf eine einfache Einführung hin
Um die Machbarkeit des Einsatzes in realen Anwendungen zu demonstrieren, baute das Team mithilfe der neu entwickelten Halbleiterfasern intelligente tragbare Elektronikgeräte. Dazu gehören eine Mütze, ein Pullover und eine Uhr, die Signale erkennen und verarbeiten kann.
Um ein Gerät zu entwickeln, das Sehbehinderten beim Überqueren stark befahrener Straßen hilft, hat das NTU-Team Fasern zusammen mit einer Schnittstellenplatine in eine Mütze gewebt. Bei experimentellen Tests im Freien wurden von der Mütze empfangene Lichtsignale an eine Mobiltelefonanwendung gesendet und lösten einen Alarm aus.
Ein aus den Fasern gewebtes Hemd fungierte unterdessen als „Smart Top“, das in einem Museum oder einer Kunstgalerie getragen werden konnte, um Informationen über Ausstellungen zu empfangen und diese in einen Ohrhörer einzuspeisen, während der Träger durch die Räume ging.
Eine Smartwatch mit einem in die Fasern integrierten Armband fungierte als flexibler und konformer Sensor zur Messung der Herzfrequenz, im Gegensatz zu herkömmlichen Designs, bei denen ein starrer Sensor am Gehäuse der Smartwatch installiert ist, was unter Umständen, in denen die Benutzer sehr aktiv sind, möglicherweise nicht zuverlässig ist aktiv ist und der Sensor keinen Kontakt mit der Haut hat.
Darüber hinaus ersetzten die Fasern sperrige Sensoren im Gehäuse der Smartwatch, wodurch Platz gespart und Designmöglichkeiten für schlankere Uhrendesigns geschaffen wurden.
Co-Autor Dr. Li Dong, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, sagte: „Unsere Faserherstellungsmethode ist vielseitig und lässt sich leicht von der Industrie übernehmen. Die Faser ist auch mit aktuellen Maschinen der Textilindustrie kompatibel, was bedeutet, dass sie über die folgenden Eigenschaften verfügt.“ Potenzial für eine Großserienproduktion.
„Indem wir die Verwendung der Fasern in alltäglichen tragbaren Gegenständen wie einer Mütze und einer Uhr demonstrieren, beweisen wir, dass unsere Forschungsergebnisse als Leitfaden für die Entwicklung funktioneller Halbleiterfasern in der Zukunft dienen können.“
Für ihre nächsten Schritte planen die Forscher, die Art der für die Fasern verwendeten Materialien zu erweitern und Halbleiter mit unterschiedlichen Hohlkernen, etwa rechteckigen und dreieckigen Formen, zu entwickeln, um ihre Anwendungsmöglichkeiten zu erweitern.
Mehr Informationen:
Zhixun Wang et al., Hochwertige Halbleiterfasern durch mechanisches Design, Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-023-06946-0