激光网3月24日消息，新加坡南洋理工大学的科学家开发了超薄半导体纤维，可以编织成织物，将它们变成智能可穿戴电子产品。他们的研究成果已发表在《自然》杂志上。
为了制造功能可靠的半导体光纤，它们必须具有柔韧性且无缺陷，以实现稳定的信号传输。然而，现有的制造方法会产生应力和不稳定性，导致半导体磁芯出现裂纹和变形，对其性能产生负面影响并限制其发展。
南洋理工大学的科学家进行了建模和仿真，以了解制造过程中应力和不稳定性是如何发生的。他们发现，通过仔细选择材料和在纤维生产过程中采取的一系列特定步骤，可以克服这一挑战。
他们开发了一种机械设计，并成功制造了长达 100 米的细毛纤维、无缺陷纤维，这表明其市场可扩展性。重要的是，新纤维可以使用现有方法编织成织物。
为了展示其纤维的高质量和功能性，南洋理工大学的研究团队开发了原型。其中包括一顶智能无檐小便帽，通过手机应用程序接收警报，帮助视障人士安全过马路;一件接收信息并通过听筒传输信息的衬衫，就像博物馆的语音导览一样;以及带有表带的智能手表，该表带可用作柔性传感器，即使在体育活动期间也能贴合用户的手腕进行心率测量。
该团队认为，他们的创新是超长耐用半导体光纤开发的根本性突破，这意味着它们具有成本效益和可扩展性，同时提供出色的电气和光电性能。
南洋理工大学电气与电子工程学院副教授、该研究的首席研究员魏磊说：“我们成功制造出高质量的半导体光纤要归功于我们团队的跨学科性质。
“半导体光纤制造是一个高度复杂的过程，需要材料科学、机械和电气工程专家在研究的不同阶段掌握专业知识。
“团队合作让我们清楚地了解了所涉及的机制，最终帮助我们打开了无缺陷线的大门，克服了纤维技术中长期存在的挑战。”
为了开发无缺陷的光纤，NTU领导的团队选择了成对的常见半导体材料和合成材料 - 带有二氧化硅玻璃管的硅半导体磁芯和带有铝硅酸盐玻璃管的锗磁芯。这些材料是根据其相辅相成的属性来选择的。
这些包括热稳定性、导电性和允许电流流过的能力。
硅之所以被选中，是因为它能够被加热到高温并在不降解的情况下进行操纵，并且能够在可见光范围内工作，使其成为用于极端条件设备的理想选择，例如消防员防护服上的传感器。
另一方面，锗允许电子快速穿过光纤并在红外范围内工作，这使得它适用于可穿戴或基于织物的传感器，这些传感器与室内光保真度无线光纤网络兼容。
接下来，科学家们将半导体材料插入玻璃管内，在高温下加热，直到管子和磁芯足够软，可以被拉成一条细的连续链。
由于所选材料的熔点和热膨胀率不同，玻璃在加热过程中的功能就像酒瓶一样，含有半导体材料，就像葡萄酒一样，在瓶子熔化时充满瓶子。
该研究的第一作者、电子电气工程学院研究员王志勋博士说：“在找到正确的材料和工艺组合来开发我们的纤维之前，我们进行了广泛的分析。通过利用我们所选材料的不同熔点和热膨胀率，我们成功地将半导体材料在进出加热炉时拉成长螺纹，同时避免了缺陷。
一旦绞线冷却并与聚合物管和金属丝结合，玻璃就会被移除。经过另一轮加热后，材料被拉动形成一根细如发丝的柔性线。
在实验室实验中，半导体光纤表现出优异的性能。当进行响应性测试时，这些光纤可以检测从紫外线到红外线的整个可见光范围，并能可靠地传输高达350千赫兹带宽的信号，使其成为同类产品中的佼佼者。此外，纤维的韧性是普通纤维的 30 倍。
还评估了纤维的可洗性，其中用半导体纤维编织的布在洗衣机中清洗了 10 次，结果显示纤维性能没有显着下降。
联合首席研究员、杰出大学教授高华健在南洋理工大学完成这项研究时说：“硅和锗是两种广泛使用的半导体，通常被认为非常脆且容易断裂。
“超长半导体光纤的制造证明了利用硅和锗制造柔性组件的可能性和可行性，为各种形式的柔性可穿戴器件的发展提供了广阔的空间。
“接下来，我们的团队将协同工作，将纤维制造方法应用于其他具有挑战性的材料，并发现更多纤维发挥关键作用的场景。”
为了证明在实际应用中的可行性，该团队使用他们新创建的半导体光纤构建了智能可穿戴电子设备。其中包括一顶无檐小便帽、一件毛衣和一块可以检测和处理信号的手表。
为了创造一种帮助视障人士穿越繁忙道路的设备，南洋理工大学团队将纤维编织成一顶无檐小便帽，以及一个接口板。在户外进行实验测试时，无檐小便帽接收到的光信号被发送到手机应用程序，触发警报。
与此同时，用纤维编织的衬衫起到了“智能上衣”的作用，可以在博物馆或艺术画廊穿着，以接收有关展品的信息，并在穿着者在房间里走动时将其输入听筒。
带有与纤维集成的腕带的智能手表可作为柔性和保形传感器来测量心率，这与安装在智能手表机身上的刚性传感器的传统设计相反，这在用户非常活跃的情况下可能不可靠，并且传感器不与皮肤接触。
此外，光纤取代了智能手表机身中笨重的传感器，节省了空间，并为更纤薄的手表设计提供了设计机会。
该研究的共同作者、机械与航空航天工程学院研究员李东博士说：“我们的纤维制造方法用途广泛，易于被工业界采用。该纤维还与当前的纺织工业机械兼容，这意味着它具有大规模生产的潜力。
“通过展示纤维在日常可穿戴物品中的应用，我们证明我们的研究结果可以作为未来制造功能性半导体光纤的指南。
对于他们的下一步，研究人员计划扩大用于光纤的材料类型，并提出具有不同空心芯的半导体，如矩形和三角形，以扩大其应用。
