DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06946-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38297173
تاريخ النشر: 2024-01-31
المؤلف: Zhixun Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
لقد سهلت التطورات الحديثة في تكنولوجيا الألياف إنشاء مواد وظيفية ذات واجهات متكاملة بشكل وثيق داخل ألياف واحدة، مما يمكّن من مجموعة واسعة من التطبيقات مثل المستشعرات، والمحركات، وجمع الطاقة وتخزينها، والشاشات، وأجهزة الرعاية الصحية. تعتمد أداء هذه الألياف الوظيفية بشكل حاسم على اختيار وتصميم أشباه الموصلات، التي تعتبر مكونات أساسية. ومع ذلك، يمكن أن تؤدي التحديات مثل تطور الضغط وعدم الاستقرار الشعري أثناء عملية السحب الحراري إلى تشققات وتشوهات في نوى أشباه الموصلات، مما يؤثر سلبًا على أداء الألياف.
تقدم هذه الدراسة تصميمًا ميكانيكيًا يهدف إلى إنتاج ألياف أشباه موصلات طويلة جدًا، خالية من الكسور، وخالية من الاضطرابات. يستند التصميم إلى تحليل تطور الضغط وعدم الاستقرار الشعري خلال ثلاث مراحل رئيسية من تشكيل الألياف: التدفق اللزج، وتبلور النواة، والتبريد. يمكن دمج الأسلاك شبه الموصلات الناتجة في ألياف مرنة ذات واجهات محددة جيدًا مع الأقطاب المعدنية، مما يمهد الطريق لتطوير الألياف البصرية الإلكترونية والأقمشة البصرية الإلكترونية على نطاق واسع. تقدم هذه الأبحاث رؤى مهمة في الميكانيكا المتطرفة والديناميكا السائلة، مما يعالج الطلب المتزايد على الأجهزة البصرية الإلكترونية المرنة والقابلة للارتداء.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة لتصنيع مكونات لسحب الألياف. تم الحصول على أنابيب السيليكا المنصهرة بصفاء 99.99% وأبعاد محددة (2.1 مم قطر داخلي و12 مم قطر خارجي) من منتجات زجاج رنتو. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على ثلاثة أحجام من أنابيب ASG (2.1 مم قطر داخلي و3.6 مم قطر خارجي، 9.1 مم قطر داخلي و11.3 مم قطر خارجي، و13.2 مم قطر داخلي و16 مم قطر خارجي) وقضبان بقطر 3.75 مم من شركة SCHOTT AG. تم الحصول على قضبان السيليكون (Si) والألمونيوم (Ge) عالية النقاء غير المخدرة، بالإضافة إلى قضبان Si من النوع p والنوع n، من مواد الشبكة، مما يضمن مقاومات أكبر من 1.0 أوم سم للمواد غير المخدرة وأقل من 0.02 أوم سم للمواد المخدرة.
لإعداد المواد للاستخدام، خضعت قضبان Si وGe لعملية تنظيف تتضمن الغمر في محلول حمض الهيدروفلوريك بنسبة 10% لإزالة الأكسيدات الأصلية. تم تجفيف أفلام البولي كربونات والأفلام المملوءة بالكربون مسبقًا في فرن مفرغ عند 80 درجة مئوية لمدة 48 ساعة قبل سحب الألياف. تم استخدام مواد أخرى، بما في ذلك أسلاك النحاس والتنجستين، دون معالجة إضافية، مما يضمن ظروفًا مثالية للإجراءات التجريبية اللاحقة.
نقاش
في قسم النقاش، توضح الأبحاث الآليات وراء تشكيل الضغط في نوى أشباه الموصلات خلال طريقة النواة المنصهرة، مع تحديد مرحلتين حاسمتين: تصلب النواة والتبريد اللاحق. خلال عملية التصلب، تخضع نوى أشباه الموصلات، المحصورة بواسطة غلاف زجاجي، لتوسع غير طبيعي، مما يؤدي، بالاقتران مع عدم التوافق الحراري أثناء التلدين، إلى ضغوط داخلية كبيرة. تسلط الدراسة الضوء على أنه بينما يمكن لنوى السيليكون (Si) تخفيف هذه الضغوط بسرعة بسبب اللزوجة العالية لزجاج السيليكا، فإن نوى الألمونيوم (Ge) تعاني من ضغوط انضغاطية عالية لفترات طويلة، مما يزيد من خطر التشقق. يتم اقتراح إدخال زجاج الألومينوسيليكات (ASG) كمواد غلاف بديلة لنوى Ge، حيث إنه يوفر نقطة تلدين أقل وخصائص محسنة لتخفيف الضغط، مما يقلل من احتمال تكوين الشقوق.
بالإضافة إلى ذلك، يتناول النقاش عدم الاستقرار الشعري، الذي يمكن أن يعطل استمرارية النواة قبل التصلب. يتم تقديم نموذج كلاسيكي معدل لتحديد هذا عدم الاستقرار، مع التأكيد على أهمية اختيار مواد الغلاف المناسبة للتخفيف من هذه التأثيرات. تشير النتائج إلى أن اختيار المواد بعناية وتحسين العمليات يمكن أن يؤدي إلى تصنيع ناجح لألياف أشباه الموصلات عالية الجودة. تستكشف الأبحاث أيضًا التطبيقات المحتملة لهذه الألياف في الأجهزة البصرية الإلكترونية، مما يظهر قوتها الميكانيكية ووظيفتها في التكنولوجيا القابلة للارتداء وأنظمة الاتصالات، مما يمهد الطريق لقدرات استشعار وتحكم متقدمة في المواد المستقبلية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06946-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38297173
Publication Date: 2024-01-31
Author(s): Zhixun Wang et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
Recent advancements in fibre technology have facilitated the creation of functional materials with closely integrated interfaces within a single fibre, enabling a wide range of applications such as sensors, actuators, energy harvesting and storage, displays, and healthcare devices. The performance of these functional fibres is critically dependent on the selection and engineering of semiconductors, which are essential components. However, challenges such as stress development and capillary instability during the thermal drawing process can lead to cracks and deformations in the semiconductor cores, adversely affecting fibre performance.
This study presents a mechanical design aimed at producing ultralong, fracture-free, and perturbation-free semiconductor fibres. The design is informed by an analysis of stress development and capillary instability during three key stages of fibre formation: viscous flow, core crystallization, and cooling. The resulting semiconductor wires can be integrated into a flexible fibre with well-defined interfaces with metal electrodes, paving the way for the development of optoelectronic fibres and large-scale optoelectronic fabrics. This research offers significant insights into extreme mechanics and fluid dynamics, addressing the growing demand for flexible and wearable optoelectronic devices.
Methods
In this study, various materials were utilized to fabricate components for fiber drawing. Fused silica tubes with a purity of 99.99% and specific dimensions (2.1 mm inner diameter and 12 mm outer diameter) were sourced from Runtu Glass Products. Additionally, three sizes of ASG tubes (2.1 mm ID and 3.6 mm OD, 9.1 mm ID and 11.3 mm OD, and 13.2 mm ID and 16 mm OD) and rods with a diameter of 3.75 mm were obtained from SCHOTT AG. High-purity undoped silicon (Si) and germanium (Ge) rods, as well as both p-type and n-type Si rods, were acquired from Lattice Materials, ensuring resistivities greater than 1.0 Ω cm for undoped and less than 0.02 Ω cm for doped materials.
To prepare the materials for use, Si and Ge rods underwent a cleaning process involving immersion in a 10% hydrofluoric acid solution to eliminate native oxides. Polycarbonate and carbon-filled polycarbonate films were pre-dried in a vacuum oven at 80 °C for 48 hours prior to fiber drawing. Other materials, including copper and tungsten wires, were utilized without additional treatment, ensuring optimal conditions for the subsequent experimental procedures.
Discussion
In the discussion section, the research outlines the mechanisms behind stress formation in semiconductor cores during the molten-core method, identifying two critical stages: core solidification and subsequent cooling. During solidification, the semiconductor cores, confined by glass cladding, undergo anomalous expansion, which, combined with thermal mismatch during annealing, leads to significant internal stresses. The study highlights that while silicon (Si) cores can relax these stresses quickly due to the high viscosity of silica glass, germanium (Ge) cores experience prolonged high compressive stresses, increasing the risk of cracking. The introduction of aluminosilicate glass (ASG) as an alternative cladding material for Ge cores is proposed, as it offers a lower annealing point and improved stress relaxation properties, thereby reducing the likelihood of crack formation.
Additionally, the discussion addresses capillary instability, which can disrupt the continuity of the core before solidification. A modified classical model is presented to quantify this instability, emphasizing the importance of selecting appropriate cladding materials to mitigate these effects. The findings suggest that careful material selection and process optimization can lead to the successful fabrication of high-quality semiconductor fibers. The research further explores the potential applications of these fibers in optoelectronic devices, demonstrating their mechanical robustness and functionality in wearable technology and communication systems, thus paving the way for advanced sensing and actuation capabilities in future materials.