在现在科技畛域，纤维技巧的不停跨越为完了多功能材料的集成提供了可能。其中，半导体纤维手脚要害构成部分，其性能的擢升对于鼓舞柔性和可一稔光电子拓荒的发展具有艰苦真理。今天咱们将深远探讨一篇发表于《Nature》的意料论文——《High-quality semiconductor fibres via mechanical design》，该论文明慧先容了通过机械商量完了高质料半导体纤维的设施过头在光电子畛域的平日应用。
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一、意料布景
跟着纤维技巧的发展，东说念主们也曾简略将功能材料拼装成具有特定几何局势的单纤维，从而完了多种功能，如传感器、现实器、能量网罗与存储、袒露和医疗拓荒等。关系词，在制备半导体纤维时，由于应力发展和毛细管不厚实性等问题，纤维的性能和大范畴坐褥受到了严重截至。在传统的纤维热拉伸进程中，半导体芯的裂纹和变形会权贵影响纤维的性能，因此，怎样完了高质料的半导体纤维制备成为了现时意料的重心。
二、意料内容
（一）应力变成机制
1、凝固阶段应力
在半导体芯凝固阶段，半导体芯被玻璃包层截至，硅和锗芯结晶时的相当扩张会导致应力变成。举例，意料发现锗/二氧化硅纤维在凝固进程中，由于二氧化硅玻璃在锗熔点时的粘性行径，应力随便期间较长（>1000s），导致锗芯内残留高压缩应力，从而容易变成横向裂纹。而硅/二氧化硅纤维在凝固后应力能在较短期间（<5s）内快速随便。为惩处锗芯凝固阶段的开裂问题，意料东说念主员引入了铝硅酸盐玻璃（ASG）手脚包层材料。ASG在锗熔点时推崇出更具粘性的行径，简略使锗芯应力快速随便（<1s），有用幸免了凝固阶段的开裂。
2、冷却阶段应力
当结晶芯从炉中拉出插足冷却阶段时，芯和包层热扩张率的不匹配会产生特等应力。由于二氧化硅玻璃的热扩张统统远小于硅和锗半导体芯，冷却后硅和锗芯会产生轴向张力。这种轴向张力对锗芯影响较大，可能导致裂纹的产生或已有裂纹的扩展，而硅芯因其较高的强度简略承受这种应力。在锗/ASG纤维中，由于包层与锗的热扩张统统接近，热失配小，轴向张力也较小，从而简略得到聚首无裂纹的锗芯。
通过拉曼光谱测量芯内应力水平，发现硅和锗芯在二氧化硅包层均辩别具有正负残余应力，而锗/ASG包层中的锗芯残余应力较小，这进一步考据了合理遴荐包层材料对裁减应力的艰苦性。
（二）毛细管不厚实性
在半导体芯凝固前，纤维处于毛细管不厚实状况，这会侵犯纤维芯的几何局势，影响纤维的聚首性和一致性。为意料这一表象，意料东说念主员修改了经典模子来缔造毛细管不厚实性增长圭臬，通过筹谋总滋长因子来评估毛细管不厚实的进度。总滋长因子大于1时，芯会透顶翻脸；远小于1时，芯的几何局势厚实。
以硼硅酸盐玻璃（BSG）和铝硅酸盐玻璃（ASG）手脚锗芯纤维的包层材料进行对比，发现BSG在常用的绘画温度（≥1000°C）下，由于其软化点低（825°C）且粘度低，导致毛细管不厚实性增长率高，锗芯容易受到扰动。而ASG软化点为1005°C，略高于锗的熔点，更适互助为锗芯的包层材料，简略有用扼制毛细管不厚实性，拓宽了绘画温度和芯直径的安全窗口。
（三）光电子纤维制备与性能
1、制备进程
为了克服玻璃包层对光电子纤维性能的影响，意料东说念主员最初通过化学蚀刻去除玻璃包层，得到寥寂的硅和锗纤维。
然后，将寥寂的半导体纤维与金属线、导电团聚物和绝缘团聚物通过经管纤维拉伸法制备成单纤维。在制备进程中，各组件在颈缩区变成精细界面。
2、性能特质
制备得到的光电子纤维具有细致的光电性能，其横截面为矩形，在中神思划有背靠背肖特基交易。硅光电子纤维在532nm处的反应率为0.16±0.04A/W，锗光电子纤维在1550nm处的反应率为0.35±0.07A/W，噪声等效功率辩别为3.12±0.51×10⁻¹⁰W/Hz¹/²和5.35±1.97×10⁻⁹W/Hz¹/²，反应期间为微秒级，3dB带宽辩别为129.10±34.89kHz和354.92±34.67kHz。
光电子纤维还具有出色的机械性能，在鬈曲半径小至5mm时仍能保持厚实的光反应，况且经过屡次鬈曲轮回后性能不受影响。同期，其在冲击、扭转和压缩等测试中也推崇出细致的厚实性，举例，硅和锗光电子纤维的冲击强度辩别为4.74±1.86MJ/m²和4.93±1.57MJ/m²，扭转强度辩别为244.80±70.94MPa和272.99±54.16MPa，在承受30MPa的压缩应力（很是于水下3000米的压力）后，经过通宵归附仍能保持光反应。此外，光电子纤维还具备可水洗的秉性，且在聚首使命5小时后无需散热。
（四）应用场景
1、扶持视障东说念主士
锗光电子纤维编织成的功能帽可手脚扶持视障东说念主士的可一稔拓荒。在功能帽中镶嵌接口板，通过继承红外光源信号并传输得手机，手机字据信号振动奉告使用者交通讯号灯状况。举例，在骨子演示中，功能帽在户外阳光下简略准确继承1550 nm激光信号，有用扶持视障东说念主士判回绝通讯号灯。
2、室内通讯系统
光电子纤维集成在日便服装中可完了基于Li-Fi的室内通讯系统。举例，将硅光电子纤维编织成毛衣，通过继承调制发光二极管（LED）光源发出的光信号，可完了相片的传输，传输速率高达40KB/s。
3、医疗保健监测
在医疗保健畛域，光电子纤维可用于可一稔拓荒中进行健康监测。传统交易智高腕表经常在后面装配刚性平面型光电探伤器来监测心率，而本意料中的光电子纤维编织成的表带可手脚贴持腕的探伤器，完了与交易光电探伤器一样的性能，同期省俭了智高手内外面有限的空间。
4、水下通讯应用
防水光电子纤维合乎水下应用，如手脚水下可见光通讯系统的继承器阵列。通过将八根光电子纤维贴合在迷你潜艇上，可完了水下无线通讯。在骨子测试中，潜艇与手机之间简略通过光电子纤维厚实地传输信号，展示了其在水下环境中的可靠性。
三、意料回来
本意料通过缔造表面体系深远融会了半导体纤维变成进程中的应力发展和毛细管不厚实性机制，愚弄机械商量得胜完了了高质料半导体纤维的制备。制备出的光电子纤维及织物在性能上推崇优异，在多个畛域展现出平日的应用远景。这一意料后果为高性能功能纤维的发展提供了艰苦的率领，有望鼓舞其在传感、运转、能量篡改和筹谋等智力方面取得进一步冲破，为昔时柔性和可一稔光电子拓荒的发展奠定了坚实的基础。
四、一齐来作念作念题吧 #大学第一课#
1、在半导体纤维凝固阶段，下列对于硅/二氧化硅纤维和锗/二氧化硅纤维应力情况的步地，正确的是（）
A.硅/二氧化硅纤维凝固时应力无法随便，锗/二氧化硅纤维应力能快速随便
B.硅/二氧化硅纤维凝固后应力能快速随便，锗/二氧化硅纤维应力随便期间较长
C.两者凝固时应力王人能快速随便
D.两者凝固时应力王人无法随便
2、对于锗芯纤维的包层材料，以下说法正确的是（）
A.硼硅酸盐玻璃（BSG）软化点高，能有用扼制毛细管不厚实性
B.铝硅酸盐玻璃（ASG）软化点略高于锗熔点，可扼制毛细管不厚实性
C.BSG和ASG对毛细管不厚实性的扼制效果交流
D.无论哪种包层材料，王人不会影响毛细管不厚实性
3、光电子纤维的制备进程中，为了变成细致的界面，需要（）
A.胜仗将半导体纤维与其他材料组合拉伸
B.先对半导体纤维进行加热处理，再与其他材料组合
C.化学蚀刻去除玻璃包层后，再用经管纤维拉伸法与其他材料制成单纤维
D.先将其他材料进行预处理，再与半导体纤维组合
4、以下哪个不是光电子纤维在文中提到的应用场景？（）
A.手脚建筑材料增强结构强度
B.编织得胜能帽扶持视障东说念主士继承交通讯号
C.集成在服装顶用于室内Li-Fi通讯继承相片
D.编织成表带监测心率
参考文件：
Wang Z2024欧洲杯官网入口, et al. High-quality semiconductor fibres via mechanical design. Nature. 2024 Feb;626(7997):72-78.