Des scientifiques de NTU Singapour ont développé des fibres semi-conductrices ultrafines qui peuvent être tissées pour former des tissus, les transformant ainsi en appareils électroniques portables intelligents. Leur travail a été publié dans la revue Nature.
Pour créer des fibres semi-conductrices fonctionnant de manière fiable, elles doivent être flexibles et exemptes de défauts pour une transmission stable du signal. Cependant, les méthodes de fabrication existantes provoquent des contraintes et une instabilité, entraînant des fissures et des déformations dans les cœurs des semi-conducteurs, impactant négativement leurs performances et limitant leur développement.
Les scientifiques de NTU ont effectué des modélisations et des simulations pour comprendre comment les contraintes et l’instabilité se produisent au cours du processus de fabrication. Ils ont découvert que le défi pouvait être surmonté grâce à une sélection minutieuse des matériaux et à une série d’étapes spécifiques prises lors de la production de fibres.
Ils ont développé une conception mécanique et ont réussi à fabriquer des fibres très fines et sans défaut s’étendant sur 100 mètres, ce qui indique son évolutivité sur le marché. Il est important de noter que les nouvelles fibres peuvent être tissées dans des tissus en utilisant les méthodes existantes.
Pour démontrer la haute qualité et la fonctionnalité de leurs fibres, l’équipe de recherche de NTU a développé des prototypes. Il s’agissait notamment d’un bonnet intelligent pour aider une personne malvoyante à traverser la route en toute sécurité en recevant des alertes sur une application de téléphone mobile ; une chemise qui reçoit des informations et les transmet via une oreillette, comme un audioguide de musée ; et une montre intelligente avec un bracelet qui fonctionne comme un capteur flexible qui s’adapte au poignet des utilisateurs pour mesurer la fréquence cardiaque même pendant les activités physiques.
Crédit : Université technologique de Nanyang
L’équipe estime que leur innovation constitue une avancée fondamentale dans le développement de fibres semi-conductrices ultra longues et durables, ce qui signifie qu’elles sont rentables et évolutives tout en offrant d’excellentes performances électriques et optoélectroniques (ce qui signifie qu’elles peuvent détecter, transmettre et interagir avec la lumière). performance.
Wei Lei, professeur agrégé de NTU à l’École de génie électrique et électronique (EEE) et chercheur principal de l’étude, a déclaré : « La fabrication réussie de nos fibres semi-conductrices de haute qualité est due à la nature interdisciplinaire de notre équipe.
« La fabrication de fibres semi-conductrices est un processus très complexe, qui nécessite le savoir-faire d’experts en science des matériaux, en génie mécanique et électrique à différentes étapes de l’étude.
« L’effort collaboratif de l’équipe nous a permis de comprendre clairement les mécanismes impliqués, ce qui nous a finalement aidé à ouvrir la porte à des fils sans défaut, surmontant ainsi un défi de longue date dans la technologie des fibres. »
Développement de la fibre semi-conductrice
Pour développer leurs fibres sans défauts, l’équipe dirigée par NTU a sélectionné des paires de matériaux semi-conducteurs et de matériaux synthétiques courants : un noyau semi-conducteur en silicium avec un tube en verre de silice et un noyau en germanium avec un tube en verre aluminosilicate. Les matériaux ont été sélectionnés en fonction de leurs attributs complémentaires.
Ceux-ci comprenaient la stabilité thermique, la conductivité électrique et la capacité de laisser passer le courant électrique (résistivité).
Le silicium a été sélectionné pour sa capacité à être chauffé à des températures élevées et manipulé sans se dégrader et pour sa capacité à fonctionner dans la plage de la lumière visible, ce qui le rend idéal pour une utilisation dans des dispositifs destinés à des conditions extrêmes, tels que les capteurs sur les vêtements de protection des pompiers.
Le germanium, quant à lui, permet aux électrons de se déplacer rapidement à travers la fibre (mobilité des porteurs) et de fonctionner dans la plage infrarouge, ce qui le rend adapté aux applications dans les capteurs portables ou à base de tissu (rideaux, nappes) compatibles avec Réseaux optiques sans fil indoor Light fidelity (« LiFi »).
Ensuite, les scientifiques ont inséré le matériau semi-conducteur (noyau) à l’intérieur du tube de verre, le chauffant à haute température jusqu’à ce que le tube et le noyau soient suffisamment mous pour être tirés en un mince brin continu (voir image ci-dessous).
En raison des différents points de fusion et taux de dilatation thermique des matériaux sélectionnés, le verre a fonctionné comme une bouteille de vin pendant le processus de chauffage, contenant le matériau semi-conducteur qui, comme le vin, remplit la bouteille lorsqu’elle fond.
Le premier auteur de l’étude, le Dr Wang Zhixun, chercheur à l’École de l’EEE, a déclaré : « Il a fallu une analyse approfondie avant de trouver la bonne combinaison de matériaux et de processus pour développer nos fibres. En exploitant les différents points de fusion et taux de dilatation thermique. Parmi les matériaux choisis, nous avons réussi à tirer les matériaux semi-conducteurs en longs fils lorsqu’ils entraient et sortaient du four de chauffage tout en évitant les défauts.
Le verre est retiré une fois le fil refroidi et associé à un tube en polymère et des fils métalliques. Après un autre cycle de chauffage, les matériaux sont tirés pour former un fil flexible et très fin.
Lors d’expériences en laboratoire, les fibres semi-conductrices ont montré d’excellentes performances. Lorsqu’elles sont soumises à des tests de réactivité, les fibres peuvent détecter toute la gamme de lumière visible, de l’ultraviolet à l’infrarouge, et transmettre de manière robuste des signaux d’une bande passante allant jusqu’à 350 kilohertz (kHz), ce qui en fait l’une des plus performantes de son genre. De plus, les fibres étaient 30 fois plus résistantes que les fibres ordinaires.
Les fibres ont également été évaluées pour leur lavabilité, dans laquelle un tissu tissé avec des fibres semi-conductrices a été nettoyé 10 fois dans une machine à laver, et les résultats n’ont montré aucune baisse significative des performances des fibres.
Le co-chercheur principal, le professeur universitaire distingué Gao Huajian, qui a terminé l’étude alors qu’il était à NTU, a déclaré : « Le silicium et le germanium sont deux semi-conducteurs largement utilisés qui sont généralement considérés comme très fragiles et sujets à la fracture.
« La fabrication de fibres semi-conductrices ultra-longues démontre la possibilité et la faisabilité de fabriquer des composants flexibles à l’aide de silicium et de germanium, offrant ainsi un espace considérable pour le développement de dispositifs portables flexibles de diverses formes.
« Ensuite, notre équipe travaillera en collaboration pour appliquer la méthode de fabrication des fibres à d’autres matériaux difficiles et découvrir davantage de scénarios dans lesquels les fibres jouent un rôle clé. »
La compatibilité avec les méthodes de production de l’industrie laisse présager une adoption facile
Pour démontrer la faisabilité d’une utilisation dans des applications réelles, l’équipe a construit des appareils électroniques portables intelligents à l’aide de leurs nouvelles fibres semi-conductrices. Ceux-ci incluent un bonnet, un pull et une montre capable de détecter et de traiter les signaux.
Pour créer un dispositif qui aide les personnes malvoyantes à traverser des routes très fréquentées, l’équipe NTU a tissé des fibres dans un bonnet, ainsi qu’une carte d’interface. Lors de tests expérimentaux en extérieur, les signaux lumineux reçus par le bonnet ont été envoyés à une application de téléphonie mobile, déclenchant une alerte.
Une chemise tissée avec ces fibres, quant à elle, fonctionnait comme un « haut intelligent », qui pouvait être porté dans un musée ou une galerie d’art pour recevoir des informations sur les expositions et les transmettre dans une oreillette lorsque le porteur se promenait dans les pièces.
Une montre intelligente avec un bracelet intégré aux fibres fonctionne comme un capteur flexible et conforme pour mesurer la fréquence cardiaque, par opposition aux conceptions traditionnelles où un capteur rigide est installé sur le corps de la montre intelligente, ce qui peut ne pas être fiable dans des circonstances où les utilisateurs sont très actif et le capteur n’est pas en contact avec la peau.
De plus, les fibres ont remplacé les capteurs encombrants dans le corps de la montre intelligente, économisant ainsi de l’espace et libérant des possibilités de conception pour des modèles de montres plus minces.
Le co-auteur, le Dr Li Dong, chercheur à l’École de génie mécanique et aérospatial, a déclaré : « Notre méthode de fabrication de fibres est polyvalente et facilement adoptée par l’industrie. La fibre est également compatible avec les machines actuelles de l’industrie textile, ce qui signifie qu’elle possède les potentiel de production à grande échelle.
« En démontrant l’utilisation des fibres dans des objets portables du quotidien comme un bonnet et une montre, nous prouvons que les résultats de nos recherches peuvent servir de guide pour créer des fibres semi-conductrices fonctionnelles à l’avenir. »
Pour les prochaines étapes, les chercheurs prévoient d’élargir les types de matériaux utilisés pour les fibres et de proposer des semi-conducteurs dotés de différents noyaux creux, tels que des formes rectangulaires et triangulaires, pour élargir leurs applications.
Plus d’information:
Zhixun Wang et al, Fibres semi-conductrices de haute qualité via une conception mécanique, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-023-06946-0