在现在科技领域，纤维技艺的不停越过为结束多功能材料的集成提供了可能。其中，半导体纤维看成枢纽构成部分，其性能的擢升对于鼓舞柔性和可衣裳光电子开采的发展具有伏击意旨。今天咱们将深远研讨一篇发表于《Nature》的照拂论文——《High-quality semiconductor fibres via mechanical design》，该论文详备先容了通过机械遐想结束高质地半导体纤维的枢纽过火在光电子领域的肤浅应用。
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一、照拂布景
跟着纤维技艺的发展，东说念主们依然约略将功能材料拼装成具有特定几何款式的单纤维，从而结束多种功能，如传感器、实施器、能量网罗与存储、泄漏和医疗开采等。然则，在制备半导体纤维时，由于应力发展和毛细管不褂讪性等问题，纤维的性能和大范畴坐褥受到了严重散伙。在传统的纤维热拉伸经过中，半导体芯的裂纹和变形会显耀影响纤维的性能，因此，若何结束高质地的半导体纤维制备成为了现时照拂的要点。
二、照拂内容
（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散伙，硅和锗芯结晶时的极度延长会导致应力变成。举例，照拂发现锗/二氧化硅纤维在凝固经过中，由于二氧化硅玻璃在锗熔点时的粘性步履，应力随意时间较长（>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时间（<5s）内快速随意。为科罚锗芯凝固阶段的开裂问题，照拂东说念主员引入了铝硅酸盐玻璃（ASG）看成包层材料。ASG在锗熔点时证据出更具粘性的步履，约略使锗芯应力快速随意（<1s），灵验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，芯和包层热延长率的不匹配会产生罕见应力。由于二氧化硅玻璃的热延长统共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约略承受这种应力。在锗/ASG纤维中，由于包层与锗的热延长统共接近，热失配小，轴向张力也较小，从而约略获取不息无裂纹的锗芯。
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平分歧具有正负残余应力，而锗/ASG包层中的锗芯残余应力较小，这进一步考据了合理采取包层材料对裁减应力的伏击性。
（二）毛细管不褂讪性
在半导体芯凝固前，纤维处于毛细管不褂讪气象，这会骚扰纤维芯的几何款式，影响纤维的不息性和一致性。为照拂这一征象，照拂东说念主员修改了经典模子来成立毛细管不褂讪性增长圭臬，通过缱绻总滋长因子来评估毛细管不褂讪的进程。总滋长因子大于1时，芯会有余离散；远小于1时，芯的几何款式褂讪。
以硼硅酸盐玻璃（BSG）和铝硅酸盐玻璃（ASG）看成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，导致毛细管不褂讪性增长率高，锗芯容易受到扰动。而ASG软化点为1005°C，略高于锗的熔点，更适逢迎为锗芯的包层材料，约略灵验扼制毛细管不褂讪性，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、制备经过
为了克服玻璃包层对光电子纤维性能的影响，照拂东说念主员最初通过化学蚀刻去除玻璃包层，得到平稳的硅和锗纤维。
然后，将平稳的半导体纤维与金属线、导电团员物和绝缘团员物通过拘谨纤维拉伸法制备成单纤维。在制备经过中，各组件在颈缩区变成邃密界面。
2、性能特色
制备得到的光电子纤维具有邃密的光电性能，其横截面为矩形，在中心遐想有背靠背肖特基战役。硅光电子纤维在532nm处的反映率为0.16±0.04A/W，锗光电子纤维在1550nm处的反映率为0.35±0.07A/W，噪声等效功率分歧为3.12±0.51×10⁻¹⁰W/Hz¹/²和5.35±1.97×10⁻⁹W/Hz¹/²，反映时间为微秒级，3dB带宽分歧为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时仍能保持褂讪的光反映，何况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证据出邃密的褂讪性，举例，硅和锗光电子纤维的冲击强度分歧为4.74±1.86MJ/m²和4.93±1.57MJ/m²，扭转强度分歧为244.80±70.94MPa和272.99±54.16MPa，在承受30MPa的压缩应力（越过于水下3000米的压力）后，经过通宵复原仍能保持光反映。此外，光电子纤维还具备可水洗的脾性，且在不息使命5小时后无需散热。
（四）应用场景
1、补助视障东说念主士
锗光电子纤维编织成的功能帽可看成补助视障东说念主士的可衣裳开采。在功能帽中镶嵌接口板，通过经受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气象。举例，在本体演示中，功能帽在户外阳光下约略准确经受1550 nm激光信号，灵验补助视障东说念主士判断绝通讯号灯。
2、室内通讯系统
光电子纤维集成在日燕服装中可结束基于Li-Fi的室内通讯系统。举例，将硅光电子纤维编织成毛衣，通过经受调制发光二极管（LED）光源发出的光信号，可结束相片的传输，传输速率高达40KB/s。
3、医疗保健监测
在医疗保健领域，光电子纤维可用于可衣裳开采中进行健康监测。传统营业智妙腕表通常在后头装配刚性平面型光电探伤器来监测心率，而本照拂中的光电子纤维编织成的表带可看成贴抓腕的探伤器，结束与营业光电探伤器雷同的性能，同期简易了智妙手内外面有限的空间。
4、水下通讯应用
防水光电子纤维相宜水下应用，如看成水下可见光通讯系统的经受器阵列。通过将八根光电子纤维贴合在迷你潜艇上，可结束水下无线通讯。在本体测试中，潜艇与手机之间约略通过光电子纤维褂讪地传输信号，展示了其在水下环境中的可靠性。
三、照拂转头
本照拂通过成立表面体系深远清醒了半导体纤维变成经过中的应力发展和毛细管不褂讪性机制，欺诈机械遐想成功结束了高质地半导体纤维的制备。制备出的光电子纤维及织物在性能上证据优异，在多个领域展现出肤浅的应用远景。这一照拂后果为高性能功能纤维的发展提供了伏击的迷惑，有望鼓舞其在传感、运行、能量调换和缱绻等才调方面取得进一步冲破，为将来柔性和可衣裳光电子开采的发展奠定了坚实的基础。
四、一说念来作念作念题吧 #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形容，正确的是（）
A.硅/二氧化硅纤维凝固时应力无法随意，锗/二氧化硅纤维应力能快速随意
B.硅/二氧化硅纤维凝固后应力能快速随意，锗/二氧化硅纤维应力随意时间较长
C.两者凝固时应力皆能快速随意
D.两者凝固时应力皆无法随意
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，能灵验扼制毛细管不褂讪性
B.铝硅酸盐玻璃（ASG）软化点略高于锗熔点，可扼制毛细管不褂讪性
C.BSG和ASG对毛细管不褂讪性的扼制效果换取
D.不管哪种包层材料，皆不会影响毛细管不褂讪性
3、光电子纤维的制备经过中，为了变成邃密的界面，需要（）
A.径直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，再用拘谨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.看成建筑材料增强结构强度
B.编织成功能帽补助视障东说念主士经受交通讯号
C.集成在服装顶用于室内Li-Fi通讯经受相片
D.编织成表带监测心率
参考文件：
Wang Z, et al. High-quality semiconductor fibres via mechanical design. Nature. 2024 Feb;626(7997):72-78.