在当今科技领域，纤维技术的不断进步为实现多功能材料的集成提供了可能。其中，半导体纤维作为关键组成部分，其性能的提升对于推动柔性和可穿戴光电子设备的发展具有重要意义。今天我们将深入探讨一篇发表于《Nature》的研究论文——《High-quality semiconductor fibres via mechanical design》，该论文详细介绍了通过机械设计实现高质量半导体纤维的方法及其在光电子领域的广泛应用。
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一、研究背景
随着纤维技术的发展，人们已经能够将功能材料组装成具有特定几何形状的单纤维，从而实现多种功能，如传感器、执行器、能量收集与存储、显示和医疗设备等。然而，在制备半导体纤维时，由于应力发展和毛细管不稳定性等问题，纤维的性能和大规模生产受到了严重限制。在传统的纤维热拉伸过程中，半导体芯的裂纹和变形会显著影响纤维的性能，因此，如何实现高质量的半导体纤维制备成为了当前研究的重点。
二、研究内容
（一）应力形成机制
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限制，硅和锗芯结晶时的异常膨胀会导致应力形成。例如，研究发现锗/二氧化硅纤维在凝固过程中，由于二氧化硅玻璃在锗熔点时的粘性行为，应力松弛时间较长（>1000s），导致锗芯内残留高压缩应力，从而容易形成横向裂纹。而硅/二氧化硅纤维在凝固后应力能在较短时间（<5s）内快速松弛。为解决锗芯凝固阶段的开裂问题，研究人员引入了铝硅酸盐玻璃（ASG）作为包层材料。ASG在锗熔点时表现出更具粘性的行为，能够使锗芯应力快速松弛（<1s），有效避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进入冷却阶段时，芯和包层热膨胀率的不匹配会产生额外应力。由于二氧化硅玻璃的热膨胀系数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能够承受这种应力。在锗/ASG纤维中，由于包层与锗的热膨胀系数接近，热失配小，轴向张力也较小，从而能够获得连续无裂纹的锗芯。
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中分别具有正负残余应力，而锗/ASG包层中的锗芯残余应力较小，这进一步验证了合理选择包层材料对降低应力的重要性。
（二）毛细管不稳定性
在半导体芯凝固前，纤维处于毛细管不稳定状态，这会扰乱纤维芯的几何形状，影响纤维的连续性和一致性。为研究这一现象，研究人员修改了经典模型来建立毛细管不稳定性增长标准，通过计算总生长因子来评估毛细管不稳定的程度。总生长因子大于1时，芯会完全破裂；远小于1时，芯的几何形状稳定。
以硼硅酸盐玻璃（BSG）和铝硅酸盐玻璃（ASG）作为锗芯纤维的包层材料进行对比，发现BSG在常用的绘制温度（≥1000°C）下，由于其软化点低（825°C）且粘度低，导致毛细管不稳定性增长率高，锗芯容易受到扰动。而ASG软化点为1005°C，略高于锗的熔点，更适合作为锗芯的包层材料，能够有效抑制毛细管不稳定性，拓宽了绘制温度和芯直径的安全窗口。
（三）光电子纤维制备与性能
1、制备过程
为了克服玻璃包层对光电子纤维性能的影响，研究人员首先通过化学蚀刻去除玻璃包层，得到独立的硅和锗纤维。
然后，将独立的半导体纤维与金属线、导电聚合物和绝缘聚合物通过收敛纤维拉伸法制备成单纤维。在制备过程中，各组件在颈缩区形成紧密界面。
2、性能特点
制备得到的光电子纤维具有良好的光电性能，其横截面为矩形，在中心设计有背靠背肖特基接触。硅光电子纤维在532nm处的响应率为0.16±0.04A/W，锗光电子纤维在1550nm处的响应率为0.35±0.07A/W，噪声等效功率分别为3.12±0.51×10⁻¹⁰W/Hz¹/²和5.35±1.97×10⁻⁹W/Hz¹/²，响应时间为微秒级，3dB带宽分别为129.10±34.89kHz和354.92±34.67kHz。
光电子纤维还具有出色的机械性能，在弯曲半径小至5mm时仍能保持稳定的光响应，并且经过多次弯曲循环后性能不受影响。同时，其在冲击、扭转和压缩等测试中也表现出良好的稳定性，例如，硅和锗光电子纤维的冲击强度分别为4.74±1.86MJ/m²和4.93±1.57MJ/m²，扭转强度分别为244.80±70.94MPa和272.99±54.16MPa，在承受30MPa的压缩应力（相当于水下3000米的压力）后，经过一夜恢复仍能保持光响应。此外，光电子纤维还具备可水洗的特性，且在连续工作5小时后无需散热。
（四）应用场景
1、辅助视障人士
锗光电子纤维编织成的功能帽可作为辅助视障人士的可穿戴设备。在功能帽中嵌入接口板，通过接收红外光源信号并传输到手机，手机根据信号振动告知使用者交通信号灯状态。例如，在实际演示中，功能帽在户外阳光下能够准确接收1550 nm激光信号，有效辅助视障人士判断交通信号灯。
2、室内通信系统
光电子纤维集成在日常服装中可实现基于Li-Fi的室内通信系统。例如，将硅光电子纤维编织成毛衣，通过接收调制发光二极管（LED）光源发出的光信号，可实现照片的传输，传输速度高达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穿戴设备中进行健康监测。传统商业智能手表通常在背面安装刚性平面型光电探测器来监测心率，而本研究中的光电子纤维编织成的表带可作为贴合手腕的探测器，实现与商业光电探测器相似的性能，同时节省了智能手表内部有限的空间。
4、水下通信应用
防水光电子纤维适合水下应用，如作为水下可见光通信系统的接收器阵列。通过将八根光电子纤维贴合在迷你潜艇上，可实现水下无线通信。在实际测试中，潜艇与手机之间能够通过光电子纤维稳定地传输信号，展示了其在水下环境中的可靠性。
三、研究总结
本研究通过建立理论体系深入理解了半导体纤维形成过程中的应力发展和毛细管不稳定性机制，利用机械设计成功实现了高质量半导体纤维的制备。制备出的光电子纤维及织物在性能上表现优异，在多个领域展现出广泛的应用前景。这一研究成果为高性能功能纤维的发展提供了重要的指导，有望推动其在传感、驱动、能量转换和计算等能力方面取得进一步突破，为未来柔性和可穿戴光电子设备的发展奠定了坚实的基础。
四、一起来做做题吧
1、在半导体纤维凝固阶段，下列关于硅/二氧化硅纤维和锗/二氧化硅纤维应力情况的描述，正确的是（）
A.硅/二氧化硅纤维凝固时应力无法松弛，锗/二氧化硅纤维应力能快速松弛
B.硅/二氧化硅纤维凝固后应力能快速松弛，锗/二氧化硅纤维应力松弛时间较长
C.两者凝固时应力都能快速松弛
D.两者凝固时应力都无法松弛
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，能有效抑制毛细管不稳定性
B.铝硅酸盐玻璃（ASG）软化点略高于锗熔点，可抑制毛细管不稳定性
C.BSG和ASG对毛细管不稳定性的抑制效果相同
D.无论哪种包层材料，都不会影响毛细管不稳定性
3、光电子纤维的制备过程中，为了形成良好的界面，需要（）
A.直接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，再用收敛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.作为建筑材料增强结构强度
B.编织成功能帽辅助视障人士接收交通信号
C.集成在服装中用于室内Li-Fi通信接收照片
D.编织成表带监测心率
参考文献：
Wang Z, et al. High-quality semiconductor fibres via mechanical design. Nature. 2024 Feb;626(7997):72-78.
