Forscher in Singapur und China haben ultralange, bruchfreie Halbleiterfasern innerhalb einer Glasummantelung hergestellt. Indem sie das Glas abätzten und es durch eine flexible Polymerhülle ersetzten, in die Metalldrähte eingebettet waren, konnten die Forscher mikroskalige Fasern herstellen, die zu Textilien gesponnen werden konnten. Die Arbeit, die auf einer langjährigen Suche nach faserbasierter Elektronik aufbaut, könnte Anwendung in intelligenter Kleidung, medizinischen Geräten und möglicherweise in der Photonik finden.

Die ersten Fasern, die einen Halbleiter im Inneren von optischem Glas enthielten, wurden vom Chemiker John Badding von der Pennsylvania State University in den USA nach einem Sabbatical an der University of Southampton in Großbritannien entwickelt. Er nutzte chemische Hochdruckdampfabscheidung, um verschiedene Materialien in einer optischen Hohlkernfaser zu platzieren. „[Badding] kam zu mir und sagte: ‚Ist das gut?‘ und ich meinte: „Das ist doch ein Witz, das ist großartig!“ und wir begannen zusammenzuarbeiten“, sagt Materialwissenschaftler und Ingenieur Venkatraman Gopalan, ebenfalls aus Penn State. Die Technik wurde jedoch durch die langsame Produktionsrate der Fasern behindert und die Zusammenarbeit endete praktisch nach dem plötzlichen Tod von Badding im Alter von 57 Jahren im Jahr 2019.

In 2008 John Ballato von der Clemson University in South Carolina entwickelte das Schmelzkernverfahren zur Herstellung optischer Fasern aus Silizium und Germanium. Die beiden Materialien werden über ihren Schmelzpunkt von über 1000 °C erhitzt. Das geschmolzene Silizium wird dann in das Glas eingespritzt, während es zu einer Faser gezogen wird, und wenn die beiden abkühlen, umgibt ein Feststoff den anderen. Mit dieser Methode können jede Minute Dutzende Meter hergestellt werden, und die Fasern haben Interesse für medizinische Laser, nichtlineare Optik und verschiedene andere Anwendungen geweckt. Ein Problem besteht darin, dass Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Halbleiter und dem Glas dazu führen, dass der Halbleiter beim Abkühlen bricht. Dies führt zu optischen Verlusten und macht es unmöglich, das Glas zu entfernen, ohne dass die Faser auseinanderfällt.

Tolle neue Studie

In der neuen Arbeit führten Forscher der Nanyang Technological University in Singapur, der Jilin University in China und anderswo eine gründliche Untersuchung dieser Rissbildung durch. „Wir haben mit Mechanikexperten zusammengearbeitet, die uns dabei geholfen haben, die Schlüsselfaktoren zu erklären“, sagt er Lei Wei der Nanyang Technological University. Dieses verbesserte theoretische Verständnis ermöglichte es den Forschern, beispielsweise Alumosilikatglas zur Ummantelung von Germanium zu wählen. Das Ergebnis waren lange, von Glas umhüllte Halbleiterdrähte ohne Risse.

Die Forscher glauben, dass diese glasummantelten Fasern in Zukunft in der Photonik nützlich sein könnten. In der vorliegenden Arbeit wurde jedoch das Glas abgeätzt, so dass die Siliziumdrähte weniger als 100 Mikrometer dick blieben. „Für die Elektronik wird ein Halbleiter allein nicht funktionieren, wir brauchen Metallkontakte, um mit dem Halbleiter zu kommunizieren“, sagt Wei. Sie befestigten daher in einem Niedertemperaturverfahren zwei in ein leitfähiges Polymer eingebettete Metalldrähte am Halbleiter und betteten die drei Leitungen gemeinsam in ein isolierendes Polymer ein. Das Ergebnis war eine flexible optoelektronische Faser, die zu einem Garn gesponnen werden konnte.

Das Team stellte mehrere Geräte her, bei denen das Garn in andere Textilien eingewebt war. Ein Beispiel war eine Beanie-Mütze, die das Licht einer Ampel erkennen und auf einem Mobiltelefon ein Vibrationssignal erzeugen konnte, das anzeigte, ob das Signal rot oder grün war. Sie gehen davon aus, dass dies einer sehbehinderten Person helfen könnte. Ein anderes war ein Smartwatch-Armband, das den Herzrhythmus einer Person messen konnte.

Als nächstes könnte ein abwaschbarer Transistor kommen

Sie zeigten auch, dass die Technologie eine praktische Widerstandsfähigkeit aufweist. „Wir geben unser Gerät in die Waschmaschine … Wir können es mehrmals waschen und es behält immer noch seine ursprüngliche Leistung“, sagt Lei Wei. Die Forscher versuchen nun, einen Transistor innerhalb der Faser herzustellen, um eine direktere Integration elektronischer Schaltkreise zu ermöglichen.

Ballato ist von der Forschung begeistert. „Ich kenne diese Gruppe seit 15 Jahren, daher überrascht mich die Exzellenz der Arbeit nicht“, sagt er; „Sie konnten diese wichtigen, aber etwas akademischen Konzepte auf sehr nützliche und wichtige Weise in die Praxis umsetzen, was die Skalierbarkeit der Fasern selbst bestätigt.“

Am meisten beeindruckt ihn die Fähigkeit des Teams, Materialien, die unterschiedliche Verarbeitungsbedingungen erfordern, in einer einzigen Struktur zu kombinieren. „Mit diesem neuen Toolkit sind sie allen anderen voraus, wenn es darum geht, damit praktische, funktionale Geräte zu entwickeln“, sagt er.

„Das ist sehr aufregend – John [Badding] wäre begeistert gewesen, das zu sehen!“ sagt Gopalan. Er glaubt, dass die Technik für die Sensorik und Bildgebung wirklich vielversprechend ist, obwohl er sagt, dass die derzeitigen Fasern für eine praktische Verwendung in der Signalübertragung zu dick wären, und vermutet, dass der geschmolzene Kernprozess möglicherweise nicht in der Lage sein könnte, ausreichend reine, dünne Fasern herzustellen Signalübertragung überhaupt. Der nächste Schritt bestehe darin, „die grundlegenden elektronischen und optischen Eigenschaften dieser Fasern gründlich zu charakterisieren“, sagt er: „Das wird entscheiden, wo die möglichen Anwendungen liegen.“

Der Herstellungsprozess ist in beschrieben Natur.

• SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
• PlatoData.Network Vertikale generative KI. Motiviere dich selbst. Hier zugreifen.
• PlatoAiStream. Web3-Intelligenz. Wissen verstärkt. Hier zugreifen.
• PlatoESG. Kohlenstoff, CleanTech, Energie, Umwelt, Solar, Abfallwirtschaft. Hier zugreifen.
• PlatoHealth. Informationen zu Biotechnologie und klinischen Studien. Hier zugreifen.
• Quelle: https://physicsworld.com/a/semiconductor-fibres-are-fracture-free-and-glass-clad/