Хорошие полупроводниковые волокна имеют два основных критерия. Они должны быть максимально гибкими и при этом не иметь внутренних дефектов. Это позволяет передавать по волокнам стабильный электронный сигнал. Но, увы, распространенные сейчас методики производства вызывают напряжение и нестабильность в полупроводниковых нитях В итоге это заканчивается деформацией и трещинами в сердечниках волокон. Пропускная способность при этом резко снижается и накапливаются ошибки.
Чтобы избежать этого, исследователи NTU смоделировали ситуацию производства волокон в целью понять, на каком этапе возникают напряжения и нестабильность. Оказалось, большинство проблем можно решить максимально тщательным подбором материала. Также во время производственного цикла необходимо реализовать определенные инструкции.
В итоге ученым удалось создать установку, на которой исследователи спокойно производили волокна толщиной с человеческий волос и длиной 100 метров. При этом вышеупомянутые дефекты полностью отсутствовали. Полученные нити можно запросто использовать для производства умной одежды.
Чтобы доказать отличное качество и высокую функциональность своей продукции, ученые из NTU изготовили несколько прототипов умных вещей. Среди них была шапочка-бини, которая помогала людям, имеющим нарушения зрения безопасно переходить дорогу. Шапочка посылала сигналы в специальное приложение на мобильном телефоне. Также исследователи создали умную рубашку. Она получает информацию и передает ее через наушник, как будто аудиогид в музее. Кроме того, специалисты разработали умный ремешок-датчик, который сканирует частоту сердечных сокращений в режиме реального времени, передавая информацию на устройство вроде смартфона или умных часов.
Исследователи уверены, что придуманная ими инновация совершит настоящий прорыв в производстве полупроводниковых волокон. По сравнению с тем, что предлагается на рынке, нити, сделанные специалистами NTU, сверхдлинные и крайне долговечные. Вдобавок новые волокна отлично работают не только с электрическими, но и оптоэлектронными сигналами.
Успехом изготовления высококачественных нитей из полупроводников мы обязаны тому, что наша команда состоит из представителей разных дисциплин. Изготовление полупроводниковых волокон — это очень сложный процесс, требующий ноу-хау от специалистов в области материаловедения, механики и электротехники на разных этапах исследования
— Доцент NTU Вэй Лэй из Школы электротехники и электронной инженерии (EEE), руководитель исследования.
Новые волокна состоят из двух частей. Первый — кремниевый полупроводниковый сердечник с трубкой из кварцевого стекла. Второй — германиевый сердечник с трубкой из алюмосиликатного стекла. Выбор материалов был сделан таким образом, чтобы они дополняли и усиливали полезные свойства друг друга.
Кремний способен нагреваться до высоких температур и при этом не разрушаться. Это делает его идеальным материалом для использования в устройствах, которые эксплуатируются в экстремальных условиях. Например, в датчиках на защитной экипировки пожарных. Также большой бонус кремния — его способность работать в диапазоне видимого света.
В свою очередь, германий позволяет электронам максимально быстро перемещаться по волокнам. Этот химический элемент отлично функционирует в инфракрасном диапазоне. Данное свойство позволяет использовать германий в носимых датчиках или датчиках на основе ткани. Кроме того, германий совместим беспроводными оптическими сетями LiFi.
Затем ученые вставили полупроводниковый материал (сердечник) внутрь стеклянной трубки, нагревая его при высокой температуре до тех пор, пока трубка и сердечник не стали достаточно мягкими, чтобы их можно было вытянуть в тонкую непрерывную нить. Из-за значительной разницы в температурах плавления и скорости теплового расширения стекло превратилось в своего рода бутылку, содержащую полупроводниковый материал.
В ходе экспериментов полупроводники нити показали отличные результаты. Волокна способны работать во всем диапазоне видимого света с полосой пропускания до 350 кГц. Сегодня это лучшие результаты в мире. Также новые волокна оказались в 30 с лишним раз крепче обычных.
Обычно кремний и германий считаются очень хрупкими и склонными разрушению проводниками. Но, как видите, нам все же удалось решить эту проблему. Методика, по которой мы изготавливаем нити, универсальна. Ее достаточно просто внедрить в промышленное производство. Наши волокна обладают полной совместимостью с оборудованием, которое используется в текстильной промышленности. Это означает, что нашу продукцию уже сейчас можно ставить на поток
— Гао Хуаджянь, заслуженный профессор NTU, и доктор Ли Донг, научный сотрудник Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии.
