他享有七院院士头衔；他曾获得国际固体力学最高荣誉希尔奖、国际应用力学最高奖铁木辛柯奖以及美国机械工程师学会奖章等顶级荣誉奖项；他是国际力学、材料和工程科学领域的顶级专家，是目前唯一同时荣获以上三大荣誉的科学家。他就是固体力学领域顶级专家高华健老师。

就在2024年1月13日上午，高华健老师在清华大学校长李路明的手中接过聘书，这一时刻标志着高华健正式加盟清华大学，担任清华大学讲座教授。这次聘任是对他卓越学术成就的肯定，也将为清华大学、我国带来更多在力学、材料和工程科学领域的卓越贡献。这对于他，也将是一段新的人生篇章。

李路明（右）为高华健（左）颁发聘书

新加坡南洋理工大学魏磊、高华健，中科院深圳先进技术研究院陈明，中科院苏州纳米所张其冲等人携手建立了一个理论系统，以清晰地理解熔芯法制备半导体纤维的三个阶段：粘性流动、芯材结晶和冷却阶段。然后，利用这一理论系统，积极进行机械设计，以实现连续高质量的半导体纤维制备。通过收敛光纤拉拔技术，进一步演示了具有单芯和双芯结构的硅和锗光电纤维。这些光电纤维具有形态因子，覆盖了长的感测长度，并适应了曲面，而传统的刚性光电检测器无法应用于这些曲面上。光电纤维的机械稳固性使其能够被编织成大规模的功能性织物，同时保持了可塑性、可洗性和透气性等有利特性。这些光电纤维提供了与商业平面型光电检测器可比的性能，并实现了在医疗保健、机器人技术、可穿戴通信和辅助技术等领域的各种应用。相关成果在Nature发表题为“High-quality semiconductor fibres via mechanical design”。

研究背景   

随着电子产业向柔性化方向发展，传统的硅锗等半导体材料所带来的脆性成为了一个关注焦点。这些材料在化学和热稳定性、电学性能等方面具有优势，但它们的脆性限制了它们在柔性电子领域的应用。为了克服这一挑战，学术界提出了一些解决方案，包括降低材料维度以增加柔性。然而，对于一维形态的半导体纤维，研究相对较少，主要原因是其制备非常困难。针对这一挑战，科学家们尝试了各种方法来制备连续长的半导体纤维。现有的晶体生长技术如Czochralski、Bridgman-Stockbarger、浮区和提拉法等，虽然能够制备半导体晶体，但是制备长度受到了限制。为了实现高产量、长长度的半导体纤维制备，研究人员开发了熔芯法。该方法通过将半导体芯材熔化成流体，并在玻璃包覆层的限制下进行热拉拔，以制备半导体纤维。使用这种方法，可以在单次拉拔过程中以几十米每分钟的速度生产数百米长的半导体纤维。

然而，熔芯法制备的半导体纤维存在着一些问题，其中一个关键问题是玻璃包覆层与半导体芯材之间的界面会导致复杂的应力发展，进而导致纤维的扰动或断裂。这限制了大规模生产功能性纤维的实现。虽然已经进行了一些优化工作，但缺乏对纤维形成每个阶段的全面力学研究，以建立合理的机械设计来实现超长、连续、无扰动和无断裂的半导体纤维。    

研究内容  

本研究在面对一维形态的半导体纤维制备难题时，通过创新性的熔芯法及汇聚光纤拉拔技术，成功地克服了传统方法所面临的挑战。首先，通过熔芯法，研究团队在图1a中示意了玻璃包层和半导体芯的预制材料，通过高效的拉拔工艺将其制备成纤维。此外，图1b和图1c揭示了纤维核的几何形状与毛细不稳定性、应力水平的关系，为纤维形态和质量的优化提供了理论支持。在图1d中，研究团队展示了通过一次拉拔工艺制备的长达一百米的连续半导体核纤维，突破了纤维制备长度的限制。通过引入汇聚光纤拉拔技术（图1e），裸露的半导体纤维和金属导线在拉拔过程中保持固态，形成了材料的亲密界面。最终，图1f展示了通过这一创新技术制备的光电纤维能够构成大规模的功能织物，拓展了其在医疗、机器人技术和可穿戴通信等领域的广泛应用。整体而言，这一方法的成功实现为半导体光电纤维的大规模生产提供了可行性，并在柔性电子领域开辟了新的可能性。    

图1. 高质量无机半导体纤维。图片来源：Nature

在熔芯法中，图2深入分析了半导体纤维制备过程中的应力分析和毛细管不稳定性，为克服制备难题提供了重要的理论支持。首先，在图2a中，展示了液态半导体芯在短时间内的凝固过程，强调了在稳态热拉制中液固界面位置的保持。然后，在图2b中，突出了冷却阶段的热膨胀不匹配，通过ε参数表征了纤芯和包层的热应变增加。接着，在图2c-e中，展示了Si/silica、Ge/silica和Ge/ASG纤维中核的最大主应力随时间演变，揭示了纤维制备过程中的应力变化。图2f-h则通过径向分布分析了核和包层的应力分布，强调了核半径、纤维半径和拉拔速度对应力的影响。最后，在图2i-j中，呈现了Ge/BSG和Ge/ASG纤维的总增长因子等高线图，绿色区域表示纤维拉拔条件下半导体核免受毛细管不稳定性生长的区域。这一深入的应力和不稳定性分析为熔芯法的力学设计提供了理论基础，有望在纤维制备领域推动更广泛材料的应用。    

图2. 热拉制法中包层/半导体纤芯结构的应力适配和流体不稳定性分析。图片来源：Nature

图3展示了研究团队开发的光电纤维及其应用在各个领域的情况。首先，在图3a中，单核光电纤维展现了其在光电性能上的优异表现，其伪全向响应使其能够在不同方向保持敏感性。其次，双核p-n结光纤的制备成功为光电器件的多功能应用提供了可能性，图3b中展示了其I-V特性。综合性能评估显示出光电纤维在各项指标上的良好表现（图3c）。进一步，光电纤维被用于多种场景，如户外辅助穿戴设备（图3d）、室内Li-Fi通信系统（图3e）、心跳测量手表带（图3f）以及水下可见光通信系统（图3g）。这些应用展示了光电纤维在智能穿戴、通信、健康监测等领域的广泛应用前景。通过光电纤维的柔韧性和稳定性，研究团队实现了在不同环境下的稳定工作，并为未来的智能穿戴、元宇宙、人工智能等领域的发展提供了新的机遇。    

图3. 高性能半导体纤维光电探测器及应用。图片来源：Nature

总结和展望  

本文开发了熔芯法和光纤技术，实现了连续高质量半导体纤维的制备，并将其应用于智能穿戴设备和通信系统。通过介绍熔芯法和机械设计，展示了如何通过创新性的材料制备技术和工艺方法解决现实世界中的挑战。

原文详情：

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。