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長(zhǎng)13.5米、寬0.6米、厚1毫米的光電傳感布。受訪者供圖

■本報(bào)記者 沈春蕾

在一片綠草如茵的空地上，新加坡南洋理工大學(xué)的兩位研究人員展示了一塊長(zhǎng)13.5米、寬0.6米、厚1毫米的雪白布料。這塊看起來平平無奇的布，實(shí)際上并不普通。它是一塊光電傳感布，由一根根細(xì)如發(fā)絲的纖維材料“編織”而成。用該布料做成的帽子、衣服，有望替代手機(jī)、平板電腦、智能手表等智能設(shè)備。

2月1日，南洋理工大學(xué)教授魏磊牽頭的國(guó)際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)在《自然》發(fā)表論文，介紹了這塊用超長(zhǎng)連續(xù)高質(zhì)量硅鍺纖維材料“編織”的布料是如何問世的。

尋找“能屈能伸”的材料

讓脆性材料變得柔軟，甚至能夠編織衣物，是魏磊團(tuán)隊(duì)的研究方向之一。

“如今的手機(jī)、電腦、智能手表等設(shè)備的芯片制造都離不開硅材料，在硅材料獲得青睞之前，鍺是用于制作歷史上第一根晶體管的經(jīng)典材料。”論文共同第一作者、在南洋理工大學(xué)從事博士后研究的汪志勛介紹，這兩種材料自然儲(chǔ)量豐富，電氣性能優(yōu)良，但它們是“寧為玉碎，不為瓦全”的脆性材料，用其制作的芯片非常容易斷裂。

已有研究發(fā)現(xiàn)，雖然以硅和鍺為代表的無機(jī)半導(dǎo)體材料已成為芯片制造不可或缺的關(guān)鍵材料，但在電子產(chǎn)業(yè)擁抱柔性化的新趨勢(shì)下，這些半導(dǎo)體的本征脆性給材料科學(xué)家?guī)砹颂魬?zhàn)。

為了讓這些半導(dǎo)體材料“能屈能伸，柔軟好用”，近年來，國(guó)際學(xué)術(shù)界提出了一些降低維度的解決方案。

參與該研究的吉林大學(xué)教授王哲解釋說，降低維度是指采用三維尺寸極小，可以認(rèn)為是零維形態(tài)的硅“點(diǎn)”（零維納米硅），以陣列形式分布在柔性基底上，形成一個(gè)軟硬交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)脆硬材料的柔性化；或者是減少晶圓的厚度并鈍化機(jī)械損傷，從而得到一張平面（二維納米硅）形態(tài)可以彎曲的硅薄膜。

“當(dāng)前，學(xué)術(shù)界對(duì)一維（一維納米硅）形態(tài)的半導(dǎo)體纖維研究相對(duì)較少，主要原因是制備極其困難。”魏磊表示，如何大規(guī)模高產(chǎn)量地連續(xù)制造具有相當(dāng)長(zhǎng)度的無裂紋半導(dǎo)體纖維是關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

可編織光電傳感布問世

盡管目前科學(xué)家已經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)了微下拉法等從熔體出發(fā)的晶體生長(zhǎng)法，但半導(dǎo)體纖維制備仍然面臨一些重大難題。

汪志勛介紹，熔芯熱拉法是將生產(chǎn)玻璃光纖的方法稍加改動(dòng)，用于制造多材料纖維的一種方法。該方法具有低成本、高速度、長(zhǎng)纖維等特點(diǎn)，其纖維拉制速度可以達(dá)到每分鐘數(shù)十米甚至上百米，并且單根纖維的拉制長(zhǎng)度可以達(dá)到公里級(jí)。但是，熔芯熱拉法制造出的半導(dǎo)體纖維往往有形狀不均勻、纖芯斷裂多發(fā)等缺陷，限制了其實(shí)際應(yīng)用。

“要解決半導(dǎo)體纖維的生產(chǎn)難題，熔芯熱拉法是一個(gè)有潛力的辦法，但需要從根本上弄清楚缺陷發(fā)生機(jī)制，從源頭解決問題。”參與該研究的中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員張其沖告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，團(tuán)隊(duì)成員結(jié)合各自背景優(yōu)勢(shì)，突破傳統(tǒng)思維，從基礎(chǔ)科學(xué)出發(fā)并結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分階段歸納總結(jié)熔芯熱拉法中不同的物理和化學(xué)過程，明確了纖維制備中關(guān)鍵的流體和固體力學(xué)問題。

從理論模型的建立到半導(dǎo)體纖維的成功拉制，這支國(guó)際聯(lián)合團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了熔芯熱拉法的系統(tǒng)規(guī)律，并基于半導(dǎo)體纖維展示了可編織光電傳感布的日常應(yīng)用。“這種傳感布可以被縫成一頂帽子、一件衣服，或是以單根纖維（一維納米硅）的形式貼附在復(fù)雜形狀的表面，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境光連續(xù)監(jiān)測(cè)、室內(nèi)光通信、健康管理甚至深海無線通信等極端環(huán)境中的多種實(shí)際應(yīng)用。”參與該研究的中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院副研究員陳明說。

一根根“發(fā)絲”大有可為

硅、鍺是電子產(chǎn)業(yè)中成熟的廣為應(yīng)用的代表性材料，用它們做成的半導(dǎo)體纖維有一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)——可以與現(xiàn)有技術(shù)工藝兼容。

張其沖表示，光電傳感只是這款硅鍺纖維材料應(yīng)用的一小部分，該材料還有更廣闊的應(yīng)用前景。未來，太陽(yáng)能電池、溫度壓力及其他信號(hào)的傳感、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，甚至集成電路和微處理器都有可能集于這一根根“發(fā)絲”上，被編織進(jìn)日常衣物中，提升人們的生活品質(zhì)。

“如今，我們已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量硅、鍺半導(dǎo)體纖維材料的規(guī)模化生產(chǎn)，但要實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用還面臨挑戰(zhàn)。”魏磊介紹，從纖維形態(tài)來看，目前形狀單一，實(shí)際應(yīng)用中不同器件可能需要不同形狀或是具有某種內(nèi)部結(jié)構(gòu)的纖維；從材料本身來看，需要進(jìn)一步探索第三代及第四代半導(dǎo)體材料的纖維化制備。

張其沖透露，未來聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步研究多功能纖維材料，共同解決生產(chǎn)制備中的問題，讓人們像穿貼身衣物一樣攜帶智能設(shè)備。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06946-0