摘要
关键词
- 高质量光纤 (High-Quality Fibres)
- 半导体光纤 (Semiconductor Fibres)
- 机械设计 (Mechanical Design)
- 应力形成 (Stress Formation)
- 光电子纤维 (Optoelectronic Fibres)
- 穿戴设备 (Wearable Devices)
研究背景
光纤技术近年来的突破推动了功能材料在单一光纤中的多功能集成，广泛应用于传感、能源收集和医疗器械等领域。然而，传统热拉伸方法中半导体核心容易因应力累积而导致裂纹形成，限制了光纤性能和规模化生产的潜力。本研究通过分析粘性流动、结晶膨胀及热膨胀不匹配等因素，提出机械优化策略，成功解决了传统方法中核心不连续性和裂纹问题，为高质量半导体光纤的大规模生产奠定了基础。
创新点
- 提出了全面的光纤制造应力形成理论体系，涵盖三阶段成纤过程。
- 通过机械优化实现了超长无裂纹的高质量半导体光纤生产。
- 成功开发了基于硅和锗的光电子纤维及其可织成功能织物的能力。
研究内容
本研究首先分析了传统热拉伸方法中应力形成的三个关键阶段，包括粘性流动、核心结晶及冷却阶段，结合有限元建模和实验验证，提出了机械优化设计策略。通过采用优化的玻璃包覆材料（如铝硅酸盐玻璃），有效降低了核心结晶膨胀及冷却过程中热膨胀不匹配引起的应力累积，从而避免了裂纹的形成。实验结果表明，新方法生产的光纤核心具有显著的机械强度和电学性能。进一步的研究展示了基于硅和锗的光电子纤维，其光电响应和机械性能使其能够应用于复杂环境下的大规模穿戴式设备。
(a) 熔融芯法的示意图。玻璃包层（紫色）和半导体芯（黑色）构成的预制体被拉伸至纤维尺寸。
(b) 光学图像和示意图展示了毛细不稳定性对纤维芯几何形状的影响，从球状断裂到连续形态。比例尺，100 μm。
(c) 示意图和光学图像展示了不同应力水平下纤维芯的几何形状。左图为完整的核心，右图为裂纹核心。比例尺，100 μm。
(d) 通过一次拉伸过程制备的约100米长的连续半导体核心纤维。玻璃包层可以通过酸蚀去除。
(e) 会聚纤维拉伸技术的示意图，展示了暴露的半导体纤维和金属线在拉伸过程中的形态保持。
(f) 由光电子纤维制成的大规模功能性织物，展示了其可扩展性及机械柔韧性。
(a) 示意图展示了液体半导体核心在短时间内固化为固体柱的过程。
(b) 冷却阶段中核心和包层的热膨胀失配导致的应力形成示意图。
(c–e) 在Si/二氧化硅、Ge/二氧化硅和Ge/ASG纤维中的固化核心应力演变（最大主应力）。
(f–h) 冷却后Si/二氧化硅、Ge/二氧化硅和Ge/ASG纤维中核心和包层的应力分布。
(i, j) Ge/BSG和Ge/ASG纤维拉伸过程中的毛细不稳定性增长因子的等高线图。绿色区域表示在该拉伸条件下，半导体核心不会出现毛细不稳定性增长。
(a) 单芯光电子纤维的侧视图（左）和横截面光学图像（中），展示了核心半导体通过导电聚合物层与铜电极连接。右图显示了在532 nm照射下的伪全向光响应特性。比例尺，50 μm。
(b) 双核p–n结光电子纤维的光学图像及其电流–电压特性曲线。比例尺，50 μm。
(c) 光电子纤维的整体性能评估，包括响应度、噪声等效功率（NEP）、上升时间和3-dB带宽等参数的对比。
(d) 配备光电子纤维的功能性帽子用于户外助听装置，通过信号与手机交互提供视觉辅助。
(e) 光电子纤维织成的功能性毛衣作为室内Li-Fi通信系统的接收器，展示了通过光纤接收并传输数据的能力。
(f) 作为心率监测仪的光电子纤维手表表带，与传统刚性传感器相比更加柔性化和符合性。
(g) 配备光电子纤维接收器阵列的潜水器，用于水下可见光通信系统，每根纤维代表一个特定角度的信号接收。
结论与展望
本研究通过优化机械设计实现了高质量半导体光纤的规模化生产，展示了光电子纤维在穿戴式设备和柔性光电子系统中的广泛应用潜力。未来研究将着眼于扩展新材料的应用，进一步优化光纤的电学性能与环境适应能力。
论文直达
原文标题：High-Quality Semiconductor Fibres via Mechanical Design
Nature, 2024, 626, 72–78.
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