Los científicos de NTU Singapur han desarrollado fibras semiconductoras ultrafinas que pueden tejerse en telas y convertirlas en dispositivos electrónicos portátiles inteligentes. Su trabajo ha sido publicado en la revista Nature. .
Para crear fibras semiconductoras que funcionen de manera confiable, deben ser flexibles y sin defectos para una transmisión de señal estable. Sin embargo, los métodos de fabricación existentes provocan estrés e inestabilidad, lo que provoca grietas y deformidades en los núcleos de los semiconductores, lo que afecta negativamente a su rendimiento y limita su desarrollo.
Los científicos de NTU realizaron modelos y simulaciones para comprender cómo se producen el estrés y la inestabilidad durante el proceso de fabricación. Descubrieron que el desafío se podía superar mediante una cuidadosa selección de materiales y una serie específica de pasos durante la producción de fibra.
Desarrollaron un diseño mecánico y fabricaron con éxito fibras finas como un cabello y sin defectos que abarcan 100 metros, lo que indica su escalabilidad en el mercado. Es importante destacar que las nuevas fibras se pueden tejer en telas utilizando los métodos existentes.
Para demostrar la alta calidad y funcionalidad de sus fibras, el equipo de investigación de NTU desarrolló prototipos. Estos incluían un gorro inteligente para ayudar a una persona con discapacidad visual a cruzar la calle de forma segura al recibir alertas en una aplicación de teléfono móvil; una camiseta que recibe información y la transmite a través de un auricular, como una audioguía de museo; y un reloj inteligente con una correa que funciona como un sensor flexible que se adapta a la muñeca de los usuarios para medir la frecuencia cardíaca incluso durante la actividad física.
El equipo cree que su innovación es un avance fundamental en el desarrollo de fibras semiconductoras que son ultralargas y duraderas, lo que significa que son rentables y escalables, al tiempo que ofrecen excelentes características eléctricas y optoelectrónicas (lo que significa que pueden detectar, transmitir e interactuar con la luz). rendimiento.
Wei Lei, profesor asociado de NTU en la Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica (EEE) e investigador principal del estudio, afirmó:"La fabricación exitosa de nuestras fibras semiconductoras de alta calidad se debe a la naturaleza interdisciplinaria de nuestro equipo".>
"La fabricación de fibras semiconductoras es un proceso muy complejo que requiere conocimientos de expertos en ciencia de materiales, ingeniería mecánica y eléctrica en las diferentes etapas del estudio.
"El esfuerzo colaborativo del equipo nos permitió comprender claramente los mecanismos involucrados, lo que en última instancia nos ayudó a abrir la puerta a hilos libres de defectos, superando un desafío de larga data en la tecnología de fibra".
Para desarrollar sus fibras libres de defectos, el equipo dirigido por NTU seleccionó pares de material semiconductor común y material sintético:un núcleo semiconductor de silicio con un tubo de vidrio de sílice y un núcleo de germanio con un tubo de vidrio de aluminosilicato. Los materiales fueron seleccionados en función de sus atributos que se complementaban entre sí.
Estos incluían la estabilidad térmica, la conductividad eléctrica y la capacidad de permitir el paso de la corriente eléctrica (resistividad).
Se seleccionó el silicio por su capacidad de calentarse a altas temperaturas y manipularse sin degradarse y por su capacidad de funcionar en el rango de luz visible, lo que lo hace ideal para su uso en dispositivos destinados a condiciones extremas, como sensores en la ropa protectora de los bomberos.
El germanio, por otro lado, permite que los electrones se muevan a través de la fibra rápidamente (movilidad del portador) y trabajen en el rango infrarrojo, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en sensores portátiles o de tela (es decir, cortinas, manteles) que son compatibles con Redes ópticas inalámbricas de fidelidad de luz ("LiFi") para interiores.
A continuación, los científicos insertaron el material semiconductor (núcleo) dentro del tubo de vidrio, calentándolo a alta temperatura hasta que el tubo y el núcleo estuvieron lo suficientemente blandos como para formar una delgada hebra continua (ver imagen a continuación).
Debido a los diferentes puntos de fusión y tasas de expansión térmica de los materiales seleccionados, el vidrio funcionó como una botella de vino durante el proceso de calentamiento, conteniendo el material semiconductor que, como el vino, llena la botella mientras se derrite.
El primer autor del estudio, el Dr. Wang Zhixun, investigador de la Escuela de EEE, dijo:"Fue necesario un análisis exhaustivo antes de encontrar la combinación correcta de materiales y procesos para desarrollar nuestras fibras. Aprovechando los diferentes puntos de fusión y tasas de expansión térmica De nuestros materiales elegidos, logramos separar los materiales semiconductores en hilos largos a medida que entraban y salían del horno de calentamiento evitando defectos."
El vidrio se retira una vez que el hilo se enfría y se combina con un tubo de polímero y alambres metálicos. Después de otra ronda de calentamiento, los materiales se tiran para formar un hilo flexible, fino como un cabello.
En experimentos de laboratorio, las fibras semiconductoras mostraron un rendimiento excelente. Cuando se sometieron a pruebas de capacidad de respuesta, las fibras pudieron detectar todo el rango de luz visible, desde ultravioleta hasta infrarroja, y transmitir de manera robusta señales de hasta 350 kilohercios (kHz) de ancho de banda, lo que la convierte en una de las mejores de su tipo. Además, las fibras eran 30 veces más duras que las normales.
También se evaluó la lavabilidad de las fibras, en el que se limpió un paño tejido con fibras semiconductoras en una lavadora 10 veces y los resultados no mostraron una caída significativa en el rendimiento de la fibra.
El coinvestigador principal, el distinguido profesor universitario Gao Huajian, que completó el estudio mientras estaba en NTU, dijo:"El silicio y el germanio son dos semiconductores ampliamente utilizados que generalmente se consideran muy frágiles y propensos a fracturarse".
"La fabricación de fibra semiconductora ultralarga demuestra la posibilidad y viabilidad de fabricar componentes flexibles utilizando silicio y germanio, proporcionando un amplio espacio para el desarrollo de dispositivos portátiles flexibles de diversas formas.
"A continuación, nuestro equipo trabajará en colaboración para aplicar el método de fabricación de fibras a otros materiales desafiantes y descubrir más escenarios en los que las fibras desempeñen funciones clave".
La compatibilidad con los métodos de producción de la industria sugiere una fácil adopción
Para demostrar la viabilidad de su uso en aplicaciones de la vida real, el equipo construyó dispositivos electrónicos portátiles inteligentes utilizando sus fibras semiconductoras recién creadas. Estos incluyen un gorro, un suéter y un reloj que puede detectar y procesar señales.
Para crear un dispositivo que ayude a las personas con discapacidad visual a cruzar carreteras con mucho tráfico, el equipo de NTU tejió fibras en un gorro, junto con una placa de interfaz. Cuando se probó experimentalmente en exteriores, las señales luminosas recibidas por el gorro se enviaron a una aplicación de teléfono móvil, lo que generó una alerta.
Mientras tanto, una camisa tejida con fibras funcionaba como una "camiseta inteligente", que podía usarse en un museo o galería de arte para recibir información sobre las exhibiciones y enviarla a un auricular mientras el usuario caminaba por las salas.
Un reloj inteligente con una pulsera integrada con fibras funcionaba como un sensor flexible y conformado para medir la frecuencia cardíaca, a diferencia de los diseños tradicionales donde se instala un sensor rígido en el cuerpo del reloj inteligente, que puede no ser confiable en circunstancias en las que los usuarios están muy activo y el sensor no está en contacto con la piel.
Además, las fibras reemplazaron sensores voluminosos en el cuerpo del reloj inteligente, ahorrando espacio y liberando oportunidades de diseño para diseños de relojes más delgados.
El coautor Dr. Li Dong, investigador de la Escuela de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial, dijo:"Nuestro método de fabricación de fibra es versátil y fácilmente adoptado por la industria. La fibra también es compatible con la maquinaria actual de la industria textil, lo que significa que tiene la potencial para la producción a gran escala.
"Al demostrar el uso de las fibras en artículos de uso diario, como un gorro y un reloj, demostramos que los hallazgos de nuestra investigación pueden servir como guía para crear fibras semiconductoras funcionales en el futuro".
Para sus próximos pasos, los investigadores planean ampliar los tipos de materiales utilizados para las fibras y crear semiconductores con diferentes núcleos huecos, como formas rectangulares y triangulares, para ampliar sus aplicaciones.
Más información: Zhixun Wang et al, Fibras semiconductoras de alta calidad mediante diseño mecánico, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06946-0
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad Tecnológica de Nanyang
