Loading ...Ученые из Сингапурского технического университета разработали ультратонкие полупроводниковые волокна, из которых можно вплетать ткани, превращая их в интеллектуальную носимую электронику. Их работа была опубликована в журнале Nature.
Для создания надежно функционирующих полупроводниковых волокон они должны быть гибкими и без дефектов для стабильной передачи сигнала. Однако существующие методы производства вызывают напряжение и нестабильность, что приводит к трещинам и деформации полупроводниковых сердечников, что отрицательно влияет на их характеристики и ограничивает их развитие.
Ученые НТУ провели моделирование и симуляцию, чтобы понять, как стресс и нестабильность возникают в процессе производства . Они обнаружили, что эту проблему можно решить путем тщательного выбора материала и выполнения определенных шагов при производстве волокна.
Они разработали механическую конструкцию и успешно изготовили тонкие, как волос, бездефектные волокна длиной 100 метров, что указывает на масштабируемость рынка. Важно отметить, что новые волокна можно вплетать в ткани, используя существующие методы.
Чтобы продемонстрировать высокое качество и функциональность своих волокон, исследовательская группа NTU разработала прототипы. К ним относятся умная шапка-бини, которая помогает слабовидящему человеку безопасно переходить дорогу, получая оповещения в приложении для мобильного телефона; рубашка, которая принимает информацию и передает ее через наушник, как музейный аудиогид; и умные часы с ремешком, который выполняет функцию гибкого датчика, подходящего для запястья пользователя, для измерения сердечного ритма даже во время физической активности.
Команда считает, что их инновация является фундаментальным прорывом в разработке полупроводниковых волокон, которые являются сверхдлинными и долговечными, а это означает, что они экономически эффективны и масштабируемы, предлагая при этом превосходные электрические и оптоэлектронные свойства (то есть они могут воспринимать, передавать и взаимодействовать со светом). производительность.
Доцент NTU Вей Лей из Школы электротехники и электронной техники (EEE) и ведущий исследователь исследования сказал: «Успешное производство наших высококачественных полупроводниковых волокон стало возможным благодаря междисциплинарному характеру нашей команды.
«Изготовление полупроводникового волокна — это очень сложный процесс, требующий ноу-хау от экспертов в области материаловедения, механики и электротехники на разных этапах исследования.
«Совместные усилия команды позволили нам четко понять задействованные механизмы, что в конечном итоге помогло нам открыть дверь к бездефектным нитям, преодолев давнюю проблему в волоконных технологиях».
Разработка полупроводникового волокна
Для разработки бездефектных волокон команда под руководством NTU выбрала пары обычного полупроводникового материала и синтетического материала — кремниевую полупроводниковую сердцевину с трубкой из кварцевого стекла и германиевую сердцевину с трубкой из алюмосиликатного стекла. Материалы были выбраны на основе их свойств, которые дополняли друг друга.
К ним относятся термическая стабильность, электропроводность и способность пропускать электрический ток (удельное сопротивление).
Кремний был выбран из-за его способности нагреваться до высоких температур и манипулирования им без разрушения, а также из-за его способности работать в диапазоне видимого света, что делает его идеальным для использования в устройствах, предназначенных для экстремальных условий, таких как датчики на защитной одежде пожарных.
Германий, с другой стороны, позволяет электронам быстро перемещаться по волокну (мобильность носителей) и работать в инфракрасном диапазоне, что делает его пригодным для применения в носимых или тканевых (например, шторах, скатерти) датчиках, совместимых с внутренние беспроводные оптические сети Light Fidelity («LiFi»).
Затем ученые поместили полупроводниковый материал (сердечник) внутрь стеклянной трубки, нагревая его при высокой температуре, пока трубка и сердечник не стали достаточно мягкими, чтобы их можно было вытянуть в тонкую непрерывную нить (см. изображение ниже).
Из-за разной температуры плавления и степени теплового расширения выбранных материалов стекло во время процесса нагрева функционировало как винная бутылка, содержа полупроводниковый материал, который, как и вино, наполняет бутылку при плавлении.
Первый автор исследования доктор Ван Чжисюнь, научный сотрудник Школы EEE, сказал: «Прежде чем прийти к правильному сочетанию материалов и процесса для разработки наших волокон, потребовался обширный анализ. Используя различные температуры плавления и скорости теплового расширения. Из выбранных нами материалов мы успешно вытягивали полупроводниковые материалы в длинные нити при их входе и выходе из нагревательной печи, избегая при этом дефектов».
После остывания пряди стекло снимается и соединяется с полимерной трубкой и металлическими проволоками. После еще одного цикла нагрева материалы вытягиваются, образуя гибкую нить толщиной с волос.
В лабораторных экспериментах полупроводниковые волокна показали отличные характеристики. При испытаниях на чувствительность волокна смогли обнаруживать весь диапазон видимого света, от ультрафиолетового до инфракрасного, и надежно передавать сигналы с полосой пропускания до 350 килогерц (кГц), что делает их лучшими в своем роде. При этом волокна были в 30 раз прочнее обычных.
Волокна также оценивали на их пригодность к стирке: ткань, сотканную из полупроводниковых волокон, чистили в стиральной машине 10 раз, и результаты не показали существенного снижения характеристик волокна.
Соруководящий исследователь, заслуженный профессор университета Гао Хуацзянь, который завершил исследование во время учебы в НТУ, 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 изготовления гибких компонентов с использованием кремния и германия, предоставляя обширное пространство для разработки гибких носимых устройств различной формы.
«Далее наша команда будет работать совместно, чтобы применить метод производства волокон к другим сложным материалам и обнаружить больше сценариев, в которых волокна играют ключевую роль».
Совместимость с отраслевыми методами производства намекает на легкость внедрения.
Чтобы продемонстрировать возможность использования в реальных приложениях, команда создала интеллектуальную носимую электронику, используя недавно созданные полупроводниковые волокна. К ним относятся шапка, свитер и часы, способные обнаруживать и обрабатывать сигналы.
Чтобы создать устройство, которое помогает слабовидящим людям переходить оживленные дороги, команда NTU вплела волокна в шапку вместе с интерфейсной платой. При экспериментальном тестировании на открытом воздухе световые сигналы, полученные шапкой, отправлялись в приложение мобильного телефона, вызывая оповещение.
Между тем рубашка, сотканная из этих волокон, выполняла функцию «умного топа», который можно было носить в музее или художественной галерее, чтобы получать информацию об экспонатах и передавать ее в наушник, когда владелец ходил по комнатам.
Умные часы с браслетом, интегрированным с волокнами, функционировали как гибкий и конформный датчик для измерения частоты сердечных сокращений, в отличие от традиционных конструкций, в которых жесткий датчик установлен на корпусе умных часов, что может быть ненадежным в обстоятельствах, когда пользователи очень активен, и датчик не контактирует с кожей.
Более того, волокна заменили громоздкие датчики в корпусе умных часов, сэкономив место и освободив возможности для дизайна более тонких часов.
Соавтор доктор Ли Донг, научный сотрудник Школы машиностроения и аэрокосмической техники, сказал: «Наш метод изготовления волокон универсален и легко применяется в промышленности. Волокно также совместимо с современным оборудованием текстильной промышленности, то есть оно обладает потенциал для крупномасштабного производства.
«Демонстрируя использование волокон в предметах повседневного ношения, таких как шапки и часы, мы доказываем, что результаты наших исследований могут послужить руководством для создания функциональных полупроводниковых волокон в будущем».
В качестве следующих шагов исследователи планируют расширить типы материалов, используемых для изготовления волокон, и разработать полупроводники с различными полыми сердцевинами, например, прямоугольной и треугольной формы, чтобы расширить их применение.
Новости партнеров:
Вам могло бы понравиться:
72
