长13.5米、宽0.6米、厚1毫米的光电传感布。受访者供图

■本报记者 沈春蕾

在一片绿草如茵的空地上，新加坡南洋理工大学的两位研究人员展示了一块长13.5米、宽0.6米、厚1毫米的雪白布料。这块看起来平平无奇的布，实际上并不普通。它是一块光电传感布，由一根根细如发丝的纤维材料“编织”而成。用该布料做成的帽子、衣服，有望替代手机、平板电脑、智能手表等智能设备。

2月1日，南洋理工大学教授魏磊牵头的国际联合团队在《自然》发表论文，介绍了这块用超长连续高质量硅锗纤维材料“编织”的布料是如何问世的。

寻找“能屈能伸”的材料

让脆性材料变得柔软，甚至能够编织衣物，是魏磊团队的研究方向之一。

“如今的手机、电脑、智能手表等设备的芯片制造都离不开硅材料，在硅材料获得青睐之前，锗是用于制作历史上第一根晶体管的经典材料。”论文共同第一作者、在南洋理工大学从事博士后研究的汪志勋介绍，这两种材料自然储量丰富，电气性能优良，但它们是“宁为玉碎，不为瓦全”的脆性材料，用其制作的芯片非常容易断裂。

已有研究发现，虽然以硅和锗为代表的无机半导体材料已成为芯片制造不可或缺的关键材料，但在电子产业拥抱柔性化的新趋势下，这些半导体的本征脆性给材料科学家带来了挑战。

为了让这些半导体材料“能屈能伸，柔软好用”，近年来，国际学术界提出了一些降低维度的解决方案。

参与该研究的吉林大学教授王哲解释说，降低维度是指采用三维尺寸极小，可以认为是零维形态的硅“点”（零维纳米硅），以阵列形式分布在柔性基底上，形成一个软硬交联的网络以实现脆硬材料的柔性化；或者是减少晶圆的厚度并钝化机械损伤，从而得到一张平面（二维纳米硅）形态可以弯曲的硅薄膜。

“当前，学术界对一维（一维纳米硅）形态的半导体纤维研究相对较少，主要原因是制备极其困难。”魏磊表示，如何大规模高产量地连续制造具有相当长度的无裂纹半导体纤维是关键挑战。

可编织光电传感布问世

尽管目前科学家已经研究发现了微下拉法等从熔体出发的晶体生长法，但半导体纤维制备仍然面临一些重大难题。

汪志勋介绍，熔芯热拉法是将生产玻璃光纤的方法稍加改动，用于制造多材料纤维的一种方法。该方法具有低成本、高速度、长纤维等特点，其纤维拉制速度可以达到每分钟数十米甚至上百米，并且单根纤维的拉制长度可以达到公里级。但是，熔芯热拉法制造出的半导体纤维往往有形状不均匀、纤芯断裂多发等缺陷，限制了其实际应用。

“要解决半导体纤维的生产难题，熔芯热拉法是一个有潜力的办法，但需要从根本上弄清楚缺陷发生机制，从源头解决问题。”参与该研究的中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张其冲告诉《中国科学报》，团队成员结合各自背景优势，突破传统思维，从基础科学出发并结合实验验证，分阶段归纳总结熔芯热拉法中不同的物理和化学过程，明确了纤维制备中关键的流体和固体力学问题。

从理论模型的建立到半导体纤维的成功拉制，这支国际联合团队验证了熔芯热拉法的系统规律，并基于半导体纤维展示了可编织光电传感布的日常应用。“这种传感布可以被缝成一顶帽子、一件衣服，或是以单根纤维（一维纳米硅）的形式贴附在复杂形状的表面，以实现环境光连续监测、室内光通信、健康管理甚至深海无线通信等极端环境中的多种实际应用。”参与该研究的中国科学院深圳先进技术研究院副研究员陈明说。

一根根“发丝”大有可为

硅、锗是电子产业中成熟的广为应用的代表性材料，用它们做成的半导体纤维有一个重要优势——可以与现有技术工艺兼容。

张其冲表示，光电传感只是这款硅锗纤维材料应用的一小部分，该材料还有更广阔的应用前景。未来，太阳能电池、温度压力及其他信号的传感、数据储存，甚至集成电路和微处理器都有可能集于这一根根“发丝”上，被编织进日常衣物中，提升人们的生活品质。

“如今，我们已经在实验室实现了高质量硅、锗半导体纤维材料的规模化生产，但要实现更广泛的应用还面临挑战。”魏磊介绍，从纤维形态来看，目前形状单一，实际应用中不同器件可能需要不同形状或是具有某种内部结构的纤维；从材料本身来看，需要进一步探索第三代及第四代半导体材料的纤维化制备。

张其冲透露，未来联合研究团队将进一步研究多功能纤维材料，共同解决生产制备中的问题，让人们像穿贴身衣物一样携带智能设备。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06946-0