Auf einer grünen, grasbewachsenen Fläche stellten zwei Forscher der Nanyang Technological University in Singapur ein Stück schneeweißen Stoff aus, der 13,5 Meter lang, 0,6 Meter breit und 1 Millimeter dick war. Dieses Stück Stoff, das gewöhnlich aussieht, ist in Wirklichkeit alles andere als gewöhnlich. Es handelt sich um ein Stück fotoelektrisches Sensorgewebe, das aus haardünnen Fasermaterialien „gewebt“ ist. Hüte und Kleidung aus diesem Stoff sollen intelligente Geräte wie Mobiltelefone, Tablets und Smartwatches ersetzen.
Am 1. Februar veröffentlichte ein internationales gemeinsames Team unter der Leitung von Professor Wei Lei von der Nanyang Technological University einen Artikel in Nature, in dem er vorstellte, wie dieses Stück Stoff „gewebt“ aus ultralangem, kontinuierlichem, hochwertigem Silizium-Germanium-Fasermaterial hergestellt wurde.
Photoelektrisches Sensortuch, 13,5 Meter lang, 0,6 Meter breit und 1 mm dick. Foto vom Interviewpartner zur Verfügung gestellt
Auf der Suche nach Materialien, die „flexibel und dehnbar“ sind
Eine der Forschungsrichtungen des Teams von Wei Lei besteht darin, spröde Materialien weich zu machen und sie sogar für das Weben von Kleidung geeignet zu machen.
„Die heutige Chipherstellung für Mobiltelefone, Computer, Smartwatches und andere Geräte ist untrennbar mit Siliziummaterialien verbunden. Bevor sich Siliziummaterialien durchsetzten, war Germanium ein klassisches Material, das zur Herstellung des ersten Transistors der Geschichte verwendet wurde.“ Wang Zhixun, Co-Erstautor des Papiers und Postdoktorand an der Nanyang Technological University, sagte, dass diese beiden Materialien über reichlich natürliche Reserven und hervorragende elektrische Eigenschaften verfügen, es sich jedoch um spröde Materialien handele, die „besser zerbrochen als intakt“ seien, und aus ihnen hergestellte Chips seien sehr leicht zu zerbrechen.
Studien haben ergeben, dass anorganische Halbleitermaterialien wie Silizium und Germanium zwar zu unverzichtbaren Schlüsselmaterialien für die Chipherstellung geworden sind, da die Elektronikindustrie den neuen Trend der Flexibilität aufnimmt, die intrinsische Sprödigkeit dieser Halbleiter jedoch Materialwissenschaftler vor Herausforderungen stellt.
Um diese Halbleitermaterialien „flexibel, dehnbar, weich und benutzerfreundlich“ zu machen, haben internationale akademische Kreise in den letzten Jahren einige Lösungen zur Reduzierung der Dimensionalität vorgeschlagen.
Wang Zhe, Professor an der Universität Jilin, der an der Forschung beteiligt war, erklärte, dass die Reduzierung der Dimensionalität die Verwendung von Silizium-„Punkten“ (nulldimensionales Nanosilizium) mit extrem kleinen dreidimensionalen Abmessungen bedeutet und als nulldimensionale Form betrachtet werden kann, die in einer Anordnung auf einem flexiblen Substrat verteilt sind, um ein weiches und hartes vernetztes Netzwerk zu bilden und so die Flexibilität spröder und harter Materialien zu erreichen; oder die Dicke des Wafers reduzieren und mechanische Beschädigungen passivieren, um einen flachen (zweidimensionalen Nano-Silizium-)Siliziumfilm zu erhalten, der gebogen werden kann.
„Derzeit gibt es in der akademischen Gemeinschaft relativ wenig Forschung zu eindimensionalen (eindimensionalen Nanosilizium-)Halbleiterfasern. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Herstellung äußerst schwierig ist.“ Wei Lei sagte, dass es eine zentrale Herausforderung sei, kontinuierlich rissfreie Halbleiterfasern mit beträchtlichen Längen in großem Maßstab und mit hoher Ausbeute herzustellen.
Es kommt ein gewebter photoelektrischer Sensorstoff heraus
Obwohl Wissenschaftler Kristallwachstumsmethoden aus Schmelzen wie das Mikro-Down-Draw-Verfahren entdeckt haben, gibt es bei der Herstellung von Halbleiterfasern immer noch einige große Probleme.
Wang Zhixun stellte vor, dass das thermische Ziehverfahren mit geschmolzenem Kern ein Verfahren ist, das das Verfahren zur Herstellung optischer Glasfasern geringfügig verändert und zur Herstellung von Fasern aus mehreren Materialien verwendet wird. Diese Methode zeichnet sich durch niedrige Kosten, hohe Geschwindigkeit und lange Fasern aus. Die Faserziehgeschwindigkeit kann Dutzende oder sogar Hunderte Meter pro Minute erreichen, und die Ziehlänge einer einzelnen Faser kann das Kilometerniveau erreichen. Allerdings weisen Halbleiterfasern, die durch thermisches Schmelzkernziehen hergestellt werden, häufig Mängel wie ungleichmäßige Formen und häufige Kernbrüche auf, die ihre praktische Anwendung einschränken.
„Um die Produktionsprobleme von Halbleiterfasern zu lösen, ist die Kern-Heißziehmethode eine potenzielle Methode, aber sie muss den Mechanismus der Defekterzeugung grundlegend verstehen und das Problem von der Quelle her lösen.“ Zhang Qichong, ein Forscher am Suzhou-Institut für Nanotechnologie und Nanobionik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der an der Studie beteiligt war, sagte gegenüber dem China Science Journal, dass die Teammitglieder ihre jeweiligen Hintergrundvorteile kombinierten und traditionelles Denken durchbrachen. Ausgehend von der Grundlagenforschung und kombiniert mit experimenteller Verifizierung fassten sie verschiedene physikalische und chemische Prozesse in der Kern-Heißziehmethode schrittweise zusammen und klärten die wichtigsten Probleme der Fluid- und Festkörpermechanik bei der Faservorbereitung.
Von der Erstellung eines theoretischen Modells bis zum erfolgreichen Ziehen von Halbleiterfasern verifizierte dieses internationale Gemeinschaftsteam die systematischen Regeln der thermischen Ziehmethode mit Schmelzkern und demonstrierte die tägliche Anwendung gewebter photoelektrischer Sensorstoffe auf Basis von Halbleiterfasern. „Diese Art von Sensorstoff kann in einen Hut, ein Kleidungsstück eingenäht oder in Form einer einzelnen Faser (eindimensionales Nanosilizium) an einer komplex geformten Oberfläche befestigt werden, um eine Vielzahl praktischer Anwendungen in extremen Umgebungen zu erreichen, wie z. B. die kontinuierliche Überwachung des Umgebungslichts, optische Kommunikation in Innenräumen, Gesundheitsmanagement und sogar drahtlose Tiefseekommunikation.“ sagte Chen Ming, ein assoziierter Forscher am Shenzhen Institute of Advanced Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, der an der Forschung beteiligt war.
In jedem „Haar“ steckt viel Potenzial
Silizium und Germanium sind ausgereifte und weit verbreitete repräsentative Materialien in der Elektronikindustrie. Daraus hergestellte Halbleiterfasern haben einen wichtigen Vorteil: Sie sind mit bestehenden Technologien und Prozessen kompatibel.
Zhang Qichong sagte, dass die fotoelektrische Sensorik nur einen kleinen Teil der Anwendung dieses Silizium-Germanium-Fasermaterials ausmache und das Material breitere Anwendungsaussichten habe. In Zukunft könnten Solarzellen, Temperatur-, Druck- und andere Signalsensoren, Datenspeicherung und sogar integrierte Schaltkreise und Mikroprozessoren in diese „Haare“ integriert und in die Alltagskleidung eingewebt werden, um die Lebensqualität der Menschen zu verbessern.
„Heute ist uns die großtechnische Produktion hochwertiger Silizium- und Germanium-Halbleiterfasermaterialien im Labor gelungen, aber wir stehen immer noch vor der Herausforderung, breitere Anwendungen zu erreichen.“ Wei Lei sagte, dass die aktuelle Form aus Sicht der Fasermorphologie einfach sei. In tatsächlichen Anwendungen erfordern verschiedene Geräte möglicherweise Fasern unterschiedlicher Form oder mit bestimmten inneren Strukturen; Aus Sicht des Materials selbst sind weitere Untersuchungen zur Faserbildungsvorbereitung von Halbleitermaterialien der dritten und vierten Generation erforderlich.
Zhang Qichong gab bekannt, dass das gemeinsame Forschungsteam in Zukunft multifunktionale Fasermaterialien weiter untersuchen wird, um gemeinsam Probleme bei der Produktion und Vorbereitung zu lösen und es den Menschen zu ermöglichen, intelligente Geräte wie Unterwäsche zu tragen.