他享有七院院士頭銜；他曾獲得國際固體力學最高榮譽希爾獎、國際應用力學最高獎鐵木辛柯獎以及美國機械工程師學會獎章等頂級榮譽獎項；他是國際力學、材料和工程科學領域的頂級專家，是目前唯一同時榮獲以上三大榮譽的科學家。他就是固體力學領域頂級專家高華健老師。
就在2024年1月13日上午，高華健老師在清華大學校長李路明的手中接過聘書，這一時刻標志著高華健正式加盟清華大學，擔任清華大學講座教授。這次聘任是對他卓越學術成就的肯定，也將為清華大學、我國帶來更多在力學、材料和工程科學領域的卓越貢獻。這對于他，也將是一段新的人生篇章。
李路明（右）為高華健（左）頒發聘書
新加坡南洋理工大學魏磊、高華健，中科院深圳先進技術研究院陳明，中科院蘇州納米所張其沖等人攜手建立了一個理論系統，以清晰地理解熔芯法制備半導體纖維的三個階段：粘性流動、芯材結晶和冷卻階段。然后，利用這一理論系統，積極進行機械設計，以實現連續高質量的半導體纖維制備。通過收斂光纖拉拔技術，進一步演示了具有單芯和雙芯結構的硅和鍺光電纖維。這些光電纖維具有形態因子，覆蓋了長的感測長度，并適應了曲面，而傳統的剛性光電檢測器無法應用于這些曲面上。光電纖維的機械穩固性使其能夠被編織成大規模的功能性織物，同時保持了可塑性、可洗性和透氣性等有利特性。這些光電纖維提供了與商業平面型光電檢測器可比的性能，并實現了在醫療保健、機器人技術、可穿戴通信和輔助技術等領域的各種應用。相關成果在Nature發表題為“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”。
研究背景
隨著電子產業向柔性化方向發展，傳統的硅鍺等半導體材料所帶來的脆性成為了一個關注焦點。這些材料在化學和熱穩定性、電學性能等方面具有優勢，但它們的脆性限制了它們在柔性電子領域的應用。為了克服這一挑戰，學術界提出了一些解決方案，包括降低材料維度以增加柔性。然而，對于一維形態的半導體纖維，研究相對較少，主要原因是其制備非常困難。針對這一挑戰，科學家們嘗試了各種方法來制備連續長的半導體纖維。現有的晶體生長技術如Czochralski、Bridgman-Stockbarger、浮區和提拉法等，雖然能夠制備半導體晶體，但是制備長度受到了限制。為了實現高產量、長長度的半導體纖維制備，研究人員開發了熔芯法。該方法通過將半導體芯材熔化成流體，并在玻璃包覆層的限制下進行熱拉拔，以制備半導體纖維。使用這種方法，可以在單次拉拔過程中以幾十米每分鐘的速度生產數百米長的半導體纖維。
然而，熔芯法制備的半導體纖維存在著一些問題，其中一個關鍵問題是玻璃包覆層與半導體芯材之間的界面會導致復雜的應力發展，進而導致纖維的擾動或斷裂。這限制了大規模生產功能性纖維的實現。雖然已經進行了一些優化工作，但缺乏對纖維形成每個階段的全面力學研究，以建立合理的機械設計來實現超長、連續、無擾動和無斷裂的半導體纖維。
研究內容
本研究在面對一維形態的半導體纖維制備難題時，通過創新性的熔芯法及匯聚光纖拉拔技術，成功地克服了傳統方法所面臨的挑戰。首先，通過熔芯法，研究團隊在圖1a中示意了玻璃包層和半導體芯的預制材料，通過高效的拉拔工藝將其制備成纖維。此外，圖1b和圖1c揭示了纖維核的幾何形狀與毛細不穩定性、應力水平的關系，為纖維形態和質量的優化提供了理論支持。在圖1d中，研究團隊展示了通過一次拉拔工藝制備的長達一百米的連續半導體核纖維，突破了纖維制備長度的限制。通過引入匯聚光纖拉拔技術（圖1e），裸露的半導體纖維和金屬導線在拉拔過程中保持固態，形成了材料的親密界面。最終，圖1f展示了通過這一創新技術制備的光電纖維能夠構成大規模的功能織物，拓展了其在醫療、機器人技術和可穿戴通信等領域的廣泛應用。整體而言，這一方法的成功實現為半導體光電纖維的大規模生產提供了可行性，并在柔性電子領域開辟了新的可能性。
圖1. 高質量無機半導體纖維。圖片來源：Nature
在熔芯法中，圖2深入分析了半導體纖維制備過程中的應力分析和毛細管不穩定性，為克服制備難題提供了重要的理論支持。首先，在圖2a中，展示了液態半導體芯在短時間內的凝固過程，強調了在穩態熱拉制中液固界面位置的保持。然后，在圖2b中，突出了冷卻階段的熱膨脹不匹配，通過ε參數表征了纖芯和包層的熱應變增加。接著，在圖2c-e中，展示了Si/silica、Ge/silica和Ge/ASG纖維中核的最大主應力隨時間演變，揭示了纖維制備過程中的應力變化。圖2f-h則通過徑向分布分析了核和包層的應力分布，強調了核半徑、纖維半徑和拉拔速度對應力的影響。最后，在圖2i-j中，呈現了Ge/BSG和Ge/ASG纖維的總增長因子等高線圖，綠色區域表示纖維拉拔條件下半導體核免受毛細管不穩定性生長的區域。這一深入的應力和不穩定性分析為熔芯法的力學設計提供了理論基礎，有望在纖維制備領域推動更廣泛材料的應用。
圖2. 熱拉制法中包層/半導體纖芯結構的應力適配和流體不穩定性分析。圖片來源：Nature
圖3展示了研究團隊開發的光電纖維及其應用在各個領域的情況。首先，在圖3a中，單核光電纖維展現了其在光電性能上的優異表現，其偽全向響應使其能夠在不同方向保持敏感性。其次，雙核p-n結光纖的制備成功為光電器件的多功能應用提供了可能性，圖3b中展示了其I-V特性。綜合性能評估顯示出光電纖維在各項指標上的良好表現（圖3c）。進一步，光電纖維被用于多種場景，如戶外輔助穿戴設備（圖3d）、室內Li-Fi通信系統（圖3e）、心跳測量手表帶（圖3f）以及水下可見光通信系統（圖3g）。這些應用展示了光電纖維在智能穿戴、通信、健康監測等領域的廣泛應用前景。通過光電纖維的柔韌性和穩定性，研究團隊實現了在不同環境下的穩定工作，并為未來的智能穿戴、元宇宙、人工智能等領域的發展提供了新的機遇。
圖3. 高性能半導體纖維光電探測器及應用。圖片來源：Nature
總結和展望
本文開發了熔芯法和光纖技術，實現了連續高質量半導體纖維的制備，并將其應用于智能穿戴設備和通信系統。通過介紹熔芯法和機械設計，展示了如何通過創新性的材料制備技術和工藝方法解決現實世界中的挑戰。
原文詳情：
Wang, Z., Wang, Z., Li, D. et al. High-quality semiconductor fibres via mechanical design. Nature 626, 72–78 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06946-0。
