导 读
半导体，尤其是其中代表性材料—硅和锗，已经融入现代生活中的方方面面。从手机电脑、互联网到自动感应水龙头，都离不开它们。当前基于此类无机晶体半导体的成熟工艺以及产品应用多是从晶圆出发制成的刚性平面器件。将本征硬脆的半导体柔性化是材料科学和柔性电子研究领域的挑战之一。当前科学界主要采用维度降低的策略，即用点状半导体（三维尺寸都极小），纤维半导体（一维形态）和薄膜半导体（二维形态）来取得一定程度的柔性。相比于点状和薄膜半导体，因为制备的困难，对纤维半导体的研究仍有较多空白。为了实现快速可控的纤维半导体规模化连续制造，新加坡南洋理工大学魏磊、高华建院士和中国科学院苏州纳米所张其冲、中国科学院深圳先进技术研究院陈明等人最近在Nature上发表论文，阐明了熔芯热拉法中不同阶段的物理化学过程，从力学设计出发获得了高质量的细若发丝的半导体纤维，为材料科学和柔性电子领域提供了新思路。
图1 图文摘要
无机晶体半导体是固态电子学领域的重中之重。在众多材料中，硅锗等代表性半导体是现代电子产业的基石。进入柔性电子的新时代，硅和锗的本征刚性成为一个不利因素，很大程度上限制了其在柔性器件中的应用。尽管科学界研发出了一些有机半导体，因其本征柔性而应用在可穿戴器件当中，但对高性能半导体的需求推动了使传统半导体柔性化的研究。由于这些材料的本征脆性，使它们柔性化的策略主要是对材料的几何形态进行优化，通过力学设计获取柔性，换句话说，就是在一个或多个维度上降低尺寸，例如采用三维尺寸都极小的“0D”半导体点、“1D”半导体纤维和“2D”半导体薄膜。既有研究中，从器件级别出发，“0D”点和“2D”薄膜都被用于组装独立器件，而“1D”纤维则主要是以纳米线束或森林的集合体用于组装平面型器件上，这并没有利用上纤维的形态优势，而是着眼于纳米结构的高表面积与体积比。从器件装配来看，微米级纤维是组装纤维形态器件的更佳选择。然而，由于制备的难题，关于微米级半导体纤维的研究相对较少。一些基于熔体的晶体生长法，例如微下拉法已被用于生产此类半导体纤维。然而，可生长的纤维直径受限，速率和单根纤维长度也都分别被限制在每小时几厘米和数十厘米。
为了推动纤维形态的电子器件，必须要找到快速且可控的半导体纤维规模化连续制造方法。热拉法是一个有潜力的方案。它最初应用于光纤的生产，在通信领域取得了前所未有的成功，为人们带来了宽带网络。这种原本制作单一材料（玻璃）纤维的方法随后被改进，用于制造包括半导体纤维在内的多材料复合纤维。其过程简要介绍如下：原材料半导体被放置在空心玻璃管内，在加热的情况下整体拉制成纤维。这种改良的热拉法也被称为熔芯热拉法，因为半导体原材料需要经历熔融状态从而被塑造成纤维形态。与传统光纤生产类似，熔芯热拉法的生产速度在每分钟几米到几十米的范围内，一次拉制成长度从数百米到几公里的单根纤维，直径在亚微米到数百微米的范围内。这个过程与微下拉法有一些相似之处，但有一个“可变形的玻璃坩埚”。虽然这个“可变形的玻璃坩埚”的存在使得快的纤维拉制速度、可观的单根纤维连续长度以及可控的纤维尺寸成为可能，但它也带来了一个挑战：玻璃包层和半导体纤芯之间的界面问题。这对纤维制造至关重要，因为任何由热、流变或力学不匹配引起的缺陷都可能造成纤维生产的失败。
近日，Nature杂志上发表了一项由新加坡南洋理工大学魏磊副教授、高华建院士和中国科学院苏州纳米所张其冲研究员、中国科学院深圳先进技术研究院陈明副研究员等人联合完成的研究，以“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”为题报道了在高性能半导体纤维方面的最新突破。南洋理工大学博士后汪志勋、李栋和吉林大学教授王哲为共同第一作者。在这项工作里，作者团队以硅和锗为例，将熔芯热拉法分为三个阶段进行分析，根据半导体纤芯的状态，分别是粘流阶段（熔化的半导体）、结晶阶段（正在结晶的半导体）和冷却阶段（已结晶的半导体）。团队通过理论和实验结合的手段明确了每个阶段中影响半导体纤维制备的关键因素。并由这些结论作为材料选择和工艺优化的策略指导，制备出了超长、无扰动和无裂纹的硅和锗纤维。此外，团队还利用这种细若发丝的半导体纤维进一步制成了性能与平面型设备相当的纤维形态光探测器。这种纤维光探测器可以单独使用，也可以编织到日常穿着中，实现多种应用。
总结与展望
半导体纤维的特殊形态能够提供与传统晶圆截然不同的特性，为柔性电子学提供了一个新的研究平台。值得注意的是，作为传统半导体材料的另一种形态，半导体纤维具有与现代CMOS技术兼容性好的特点。从清洗、掺杂到光刻，原则上可以将晶圆处理技术应用到这种半导体纤维上。熔芯热拉法的纤维拉制速度比基于熔体的生长方法快三到四个数量级，或能解决半导体纤维的规模化生产问题。尽管还存在一些有待探讨的问题，例如拉制具有不同截面形状或是内结构的纤维、杂质及氧扩散的去除、绿色的包层剥离方法等，熔熔芯热拉法的创新可能会为基于纤维的设备带来前所未有的潜力。例如，晶体管、逻辑门和复杂的数字电路可以集成在细如发丝的结构中，并进一步编织到日常服装中，为以人为中心的信息系统提供数字化路径。
责任编辑
魏 强 四川大学
王国坤 中国科学院天津工业生物技术研究所
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本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第三期以Commentary发表的“The dawn of ultralong flexible semiconductor fibers” (投稿: 2024-02-06；接收: 2024-03-15；在线刊出: 2024-03-19)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2024.100613
引用格式：Hao Y. (2024). The dawn of ultralong flexible semiconductor fibers. The Innovation 5(3), 100613.
作者简介
郝 跃，中国科学院院士，国际著名微电子学家，西安电子科技大学教授和学校学术委员会主任，全国人大代表，中国电子学会副理事长。长期从事微电子学与固体电子学的科学研究与人才培养，在宽禁带半导体材料与器件、微波和毫米波半导体器件、集成电路新器件和新材料等方面取得了系统的创新性成果。2013年当选中国科学院院士。他目前兼任国家自然科学基金委员会信息科学部主任，国务院学位委员会电子科学与技术学科评议组召集人，教育部高等院校电子信息类专业教学指导委员会主任。
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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球58个国家；已被139个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2022年影响因子为33.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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