Investigadores de Singapur y China han producido fibras semiconductoras ultralargas y libres de fracturas dentro de revestimientos de vidrio. Al grabar el vidrio y reemplazarlo con una funda de polímero flexible incrustada con alambres metálicos, los investigadores pudieron producir fibras a microescala que podían ser hiladas para formar textiles. El trabajo, que se basa en una búsqueda de larga data para producir productos electrónicos basados ​​en fibra, podría tener aplicaciones en ropa inteligente, dispositivos médicos y potencialmente en fotónica.

Las primeras fibras que contienen un semiconductor dentro de un vidrio óptico fueron desarrolladas por el químico John Badding de la Universidad Estatal de Pensilvania (EE.UU.) tras un año sabático en la Universidad de Southampton (Reino Unido). Utilizó la deposición química de vapor a alta presión para colocar varios materiales dentro de una fibra óptica de núcleo hueco. “[Badding] vino a mí y me dijo: '¿Esto es bueno?' y yo dije: '¡Estás bromeando, esto es increíble!' y comenzamos a colaborar”, dice el científico e ingeniero de materiales. Venkatraman Gopalan, también de Penn State. Sin embargo, la técnica se vio paralizada por la lenta tasa de producción de las fibras, y la colaboración terminó efectivamente después de la muerte repentina de Badding a los 57 años en 2019.

en 2008 Juan Ballato de la Universidad de Clemson en Carolina del Sur desarrolló el método del núcleo fundido para producir fibras ópticas de silicio y germanio. Los dos materiales se calientan por encima de sus puntos de fusión de más de 1000 °C. Luego, el silicio fundido se inyecta en el vidrio mientras se transforma en una fibra y, a medida que los dos se enfrían, un sólido rodea al otro. Este método permite producir decenas de metros por minuto y las fibras han despertado interés en láseres médicos, óptica no lineal y otras aplicaciones. Un problema es que las diferencias en los coeficientes de expansión térmica entre el semiconductor y el vidrio hacen que el semiconductor se fracture a medida que se enfría. Esto crea pérdidas ópticas y hace imposible retirar el vidrio sin que la fibra se deshaga.

Nuevo estudio genial

En el nuevo trabajo, investigadores de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, la Universidad de Jilin en China y otros lugares llevaron a cabo un estudio exhaustivo de este craqueo. "Trabajamos con expertos en mecánica que nos ayudaron a explicar cuáles son los factores clave", dice Lei Wei de la Universidad Tecnológica de Nanyang. Esta comprensión teórica mejorada permitió a los investigadores elegir vidrio de aluminosilicato para revestir germanio, por ejemplo. El resultado fueron largos cables semiconductores revestidos de vidrio sin grietas.

En el futuro, los investigadores creen que estas fibras revestidas de vidrio podrían resultar útiles en fotónica. En el presente artículo, sin embargo, grabaron el vidrio para dejar los cables de silicio con un espesor de menos de 100 micrones. "En el caso de la electrónica, un semiconductor por sí solo no sirve; necesitamos contactos metálicos para comunicarse con el semiconductor", afirma Wei. Por lo tanto, utilizaron un proceso de baja temperatura para unir dos cables metálicos incrustados en un polímero conductor al semiconductor e incrustaron los tres cables juntos en un polímero aislante. El resultado fue una fibra optoelectrónica flexible que podía hilarse para formar un hilo.

El equipo produjo varios dispositivos que contenían su hilo entretejido en otros textiles. Un ejemplo era un gorro que podía detectar la luz de una señal de tráfico y producir una señal vibratoria en un teléfono móvil que indicaba si la señal era roja o verde. Según ellos, esto podría ayudar a una persona con discapacidad visual. Otro era una correa de reloj inteligente que podía medir el ritmo cardíaco de una persona.

El transistor lavable podría ser el siguiente

También demostraron que la tecnología tiene una resiliencia práctica. "Ponemos nuestro dispositivo en la lavadora... Podemos lavarlo varias veces y aún mantiene su rendimiento original", dice Lei Wei. Los investigadores ahora están intentando fabricar un transistor dentro de la fibra para permitir una incorporación más directa de circuitos electrónicos.

Ballato está entusiasmado con la investigación. “Conozco este grupo desde hace 15 años, así que no me sorprende la excelencia del trabajo”, dice; "Han podido tomar estos conceptos importantes pero algo académicos y llevarlos a la práctica de una manera muy útil e importante que valida la escalabilidad de las fibras mismas".

Lo que más le impresiona es la capacidad del equipo para combinar materiales que requieren diferentes condiciones de procesamiento en una sola estructura. "Con este nuevo conjunto de herramientas, están por delante de todos los demás en la capacidad de utilizarlas para desarrollar dispositivos prácticos y funcionales", afirma.

"Esto es muy emocionante. ¡A John [Badding] le habría encantado ver esto!" dice Gopalan. Él cree que para la detección y la obtención de imágenes, la técnica es realmente prometedora, aunque dice que las fibras actuales serían demasiado gruesas para un uso práctico en la transmisión de señales, y sospecha que el proceso del núcleo fundido podría no ser capaz de producir fibras delgadas y suficientemente puras para transmisión de señal en absoluto. El siguiente paso es “caracterizar minuciosamente las propiedades electrónicas y ópticas básicas de estas fibras”, afirma: “Eso determinará dónde pueden encontrarse las aplicaciones”.

El proceso de fabricación se describe en Naturaleza.

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• Fuente: https://physicsworld.com/a/semiconductor-fibres-are-fracture-free-and-glass-clad/