新材料：細如發絲，半導體纖維能“織”布

　　在一片綠草如茵的空地上，新加坡南洋理工大學的兩位研究人員展示了一塊長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，實際上并不普通。它是一塊光電傳感布，由一根根細如發絲的纖維材料“編織”而成。用該布料做成的帽子、衣服，有望替代手機、平板電腦、智能手表等智能設備。

　　2月1日，南洋理工大學教授魏磊牽頭的國際聯合團隊在《自然》發表論文，介紹了這塊用超長連續高質量硅鍺纖維材料“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，是魏磊團隊的研究方向之一。

　　“如今的手機、電腦、智能手表等設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典材料。”論文共同第一作者、在南洋理工大學從事博士后研究的汪志勛介紹，這兩種材料自然儲量豐富，電氣性能優良，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。

　　已有研究發現，雖然以硅和鍺為代表的無機半導體材料已成為芯片制造不可或缺的關鍵材料，但在電子產業擁抱柔性化的新趨勢下，這些半導體的本征脆性給材料科學家帶來了挑戰。

　　為了讓這些半導體材料“能屈能伸，柔軟好用”，近年來，國際學術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教授王哲解釋說，降低維度是指采用三維尺寸極小，可以認為是零維形態的硅“點”(零維納米硅)，以陣列形式分布在柔性基底上，形成一個軟硬交聯的網絡以實現脆硬材料的柔性化;或者是減少晶圓的厚度并鈍化機械損傷，從而得到一張平面(二維納米硅)形態可以彎曲的硅薄膜。

　　“當前，學術界對一維(一維納米硅)形態的半導體纖維研究相對較少，主要原因是制備極其困難?！蔽豪诒硎?，如何大規模高產量地連續制造具有相當長度的無裂紋半導體纖維是關鍵挑戰。

　　可編織光電傳感布問世

　　盡管目前科學家已經研究發現了微下拉法等從熔體出發的晶體生長法，但半導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玻璃光纖的方法稍加改動，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、長纖維等特點，其纖維拉制速度可以達到每分鐘數十米甚至上百米，并且單根纖維的拉制長度可以達到公里級。但是，熔芯熱拉法制造出的半導體纖維往往有形狀不均勻、纖芯斷裂多發等缺陷，限制了其實際應用。

　　“要解決半導體纖維的生產難題，熔芯熱拉法是一個有潛力的辦法，但需要從根本上弄清楚缺陷發生機制，從源頭解決問題。”參與該研究的中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員張其沖告訴《中國科學報》，團隊成員結合各自背景優勢，突破傳統思維，從基礎科學出發并結合實驗驗證，分階段歸納總結熔芯熱拉法中不同的物理和化學過程，明確了纖維制備中關鍵的流體和固體力學問題。

　　從理論模型的建立到半導體纖維的成功拉制，這支國際聯合團隊驗證了熔芯熱拉法的系統規律，并基于半導體纖維展示了可編織光電傳感布的日常應用。“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)的形式貼附在復雜形狀的表面，以實現環境光連續監測、室內光通信、健康管理甚至深海無線通信等極端環境中的多種實際應用。”參與該研究的中國科學院深圳先進技術研究院副研究員陳明說。

　　一根根“發絲”大有可為

　　硅、鍺是電子產業中成熟的廣為應用的代表性材料，用它們做成的半導體纖維有一個重要優勢——可以與現有技術工藝兼容。

　　張其沖表示，光電傳感只是這款硅鍺纖維材料應用的一小部分，該材料還有更廣闊的應用前景。未來，太陽能電池、溫度壓力及其他信號的傳感、數據儲存，甚至集成電路和微處理器都有可能集于這一根根“發絲”上，被編織進日常衣物中，提升人們的生活品質。

　　“如今，我們已經在實驗室實現了高質量硅、鍺半導體纖維材料的規模化生產，但要實現更廣泛的應用還面臨挑戰。”魏磊介紹，從纖維形態來看，目前形狀單一，實際應用中不同器件可能需要不同形狀或是具有某種內部結構的纖維;從材料本身來看，需要進一步探索第三代及第四代半導體材料的纖維化制備。

　　張其沖透露，未來聯合研究團隊將進一步研究多功能纖維材料，共同解決生產制備中的問題，讓人們像穿貼身衣物一樣攜帶智能設備。