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AMR Account｜新加坡南洋理工大学魏磊教授团队：热拉制半导体纤维的制备策略与应用
近日，新加坡南洋理工大学魏磊教授团队的AMR述评文章“Thermally Drawn Semiconductor Fibers: Fabrication Strategies and Applications”在线发表。文章基于基础研究，从材料学和力学的角度揭示了在热拉制半导体纤维制备过程中缺陷的产生及稳定化策略；从应用探索出发，总结了基于热拉制半导体纤维的器件应用于多个领域的优势。最后，作者概述了该研究方向上有探索价值的科学问题并展望了未来的应用前景。
关键词：半导体纤维、复合纤维热拉制、柔性电子、力材料学
This Account aims to inspire further research efforts to expand the scope of fiber materials, the design of in-fiber structures, and configurations of device assembly to achieve widespread adoption of semiconductor fibers in various fields.
01 文章内容简介
可穿戴电子设备使电子产品更加无缝无感地融入日常生活的方方面面。近年来，可穿戴消费电子设备，如智能戒指、手环和手表，因其能够持续可靠地收集和储存数据并给予用户辅助而广受欢迎。此外，可穿戴电子设备也正逐渐应用于专业医疗服务中，例如全天候血糖监测和微创血栓切除术等，以帮助诊断和治疗。物联网的迅速发展也进一步推动了对可穿戴电子设备的需求，它们是跨平台多设备数据共享和分析的关键组件。可穿戴电子设备的市场规模预计将持续增长。
半导体材料是可穿戴电子设备中的核心组件。采用纤维形态的半导体材料，能够实现单纤维或纺织品智能器件。目前，已经有例如改进的CZ晶体生长法、微下拉法和热拉制等针对无机半导体纤维的制备手段。其中，热拉制半导体纤维是一种将半导体材料包裹在非晶态支撑材料中，通过加热软化包覆层，熔融半导体芯，然后共同拉制成纤维的技术。在各种制造方法中，纤维热拉制具有高产率、可集成、内部结构可设计以及单根纤维长度大的优点。制得的半导体纤维可以直接用于可穿戴电子设备的制造，或者在使用前通过后处理工序以按需改变尺寸、几何形状或相结构。
该述评基于基础研究，从材料学和力学的角度揭示了在热拉制半导体纤维制备过程中缺陷的产生及稳定化策略；从应用探索出发，总结了基于热拉制半导体纤维的器件应用于多个领域的优势。最后，作者概述了该研究方向上有探索价值的科学问题并展望了未来的应用前景。
02 AMR：您对该领域的发展有何愿景？
作者团队：
纤维热拉制作为一种成熟的工业生产方法，已经成功地实现以光纤为物理框架的沟通网络，从而改变了社会的方方面面。进一步地，将纤维热拉制技术应用在半导体纤维的制备上，可以把不同的光、电、磁、声、热和机械性的功能材料与纤维相结合，将纤维的应用扩展至更多领域，例如，在通讯、传感、能源、人造肌肉、3D打印、医疗保健，神经科学、纳米科学与制造、材料改性等研究领域。纤维热拉制具有能够大规模生产的特点，由此制备的具有电子和光电器件基本属性的多材料纤维，能够实现基于纤维平台的光电子器件、复合材料集成、生物信息交互、能量的产生和收集、热管理、监测健康和认知大脑等功能。
03 AMR：您认为该领域最值得关注的研究热点是什么？
作者团队：
以半导体纤维为例，最值得关注的地方在于如何将热拉制方法应用到更多种类的半导体材料当中去。不同的半导体材料具有不同的力学性能、化学特性和晶体结构。在采用热拉制的过程中，则需要动态地针对不同的材料去改变具体的工艺参数。此外，从单一材料扩展到多种复合材料纤维则是器件制备的关键一环。在这一过程中，原子层面的结构控制和性能优化、不同物理和化学性质材料的结合、流变学和界面科学都蕴含较多研究价值。
作者团队简介
魏磊，2005年本科毕业于武汉理工大学，2011年博士毕业于丹麦科技大学，2010年开始在美国麻省理工学院进行博士后研究，2014年加入新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院任南洋助理教授，2019年升任副教授。2018年起任南洋理工大学光纤技术研究中心主任，2022年起任电气与电子工程学院助理院长。主要从事光纤传感、功能纤维、纤维光电子器件、生物光纤交互、纤维内能量存储、和智能织物等方面的研究。在Nature和Science等学术期刊上发表论文180多篇。主要学术兼职包括Optica Singapore Section主席，并担任多个国际期刊的编委。
汪志勋，2013、2016年分别于中南大学材料科学与工程学院获学士、硕士学位，2021年于南洋理工大学电子电气工程学院获博士学位。现于南洋理工大学电子电气工程学院进行博士后研究，主要从事纤维材料与器件应用研究。在Nature等学术期刊上发表论文60多篇。
扫码阅读魏磊教授团队的精彩Account文章：
Thermally Drawn Semiconductor Fibers: Fabrication Strategies and Applications
Zhixun Wang and Lei Wei*
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.4c00132
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