高质量的半导体纤维通过机械设计

　　融合的二氧化硅管（纯度99.99％）的内径为2.1 mm（ID）和12毫米外径（OD）是从Runtu Glass产品中购买的。从Schott AG购买了三种尺寸（2.1 mm ID和3.6 mm OD
，9.1 mm ID和11.3 mm OD，ASG管（Schott 8253）（Schott 8253）（Schott 8253）和直径3.75 mm的杆的13.2 mm ID和16毫米OD） 。未掺杂的Si（纯度> 99.999％ ，电阻率> 1.0ωcm）和GE（纯度> 99.999％）的杆的直径为2±0.127 mm
，是从晶格材料中购买的
。从同一供应商购买了相同尺寸的P-和N型Si杆（纯度> 99.999％，电阻率<0.02Ωcm）。从Boedeker塑料购买了充满碳填充的聚碳酸酯（102-106Ω平方米）膜（厚度为125μm） 。铜（直径50μm）和钨（直径30μm）电线（纯度99.999％）购自Xionglin金属
。从天木聚合物购买了聚碳酸酯板（24×8×300毫米）。使用前 ，将Si和Ge杆浸泡在10％的氢氟酸溶液中
，以在使用前去除天然氧化物 。在80°C的真空烤箱中，在用于纤维图中 ，在80°C的真空烤箱中进行了聚碳酸酯和碳纤维填充的聚碳酸酯（CPC）
。使用其他材料
，没有任何进一步的处理。 　　将Si杆插入融合的二氧化硅管中，并使用氧气火焰密封在真空中（1×10-2 mbar） 。通过通过熔融核法在1,950°C绘制预成式 ，分别设置为0.002 cm s-1和3.2 cm s-1来制造Si/二氧化硅纤维
。对于GE/ASG纤维
，制造始于预成型组装。在1,190°C时，将13.2 mm ID和16毫米OD的ASG试管抽入具有8.9毫米ID和11.1 mm OD的薄管 。通过相同的过程 ，将9.1毫米ID和11.3毫米OD的ASG管分为三种尺寸（6.7 mm ID和8.8 mm OD，4.9毫米ID和6.6 mm OD
，3.7 mm ID和4.8 mm OD）。将3.75毫米直径的ASG杆降低至直径2毫米
。将五个试管的总尺寸夹紧，形成2.1 mm ID和11.1 mm O的预成型 ，将GE杆插入其中。将直径为2 mm的ASG棒用于组件的真空密封（1×10-2 MBAR）
，以最终确定预成型 。然后在1,150°C下绘制预成型，以获得GE/ASG纤维 ，其进料速率和拉动速率分别为0.002 cm s -1和3.2 cm s -1
。在此过程中没有使用脱氧剂。独立的Si和Ge纤维通过氢氟酸蚀刻暴露 。在蚀刻过程中
，将玻璃胶的Si和Ge纤维切成80 cm的段，受酸罐的尺寸限制
。 　　使用WITEC UHT S300系统（激发波长532 nm）收集拉曼光谱。用嵌入在环氧树脂中的样品（环氧树脂2和Epothin 2）制备纤维横向和横截面 ，然后用600、1200 、2500和4000粒碳化硅碳化物砂纸抛光 。由于需要进行样品制备的必要抛光剂
，因此无法精确揭示原始应力值，但是它可以作为定性分析的参考 ，因为建模（或模拟）之间的精确定量比较和实验结果可以确定固体膨胀和热不匹配的个人贡献
，目前构成了极端工作条件的构成挑战
。通过对熔融核法的机械优化，获得了高质量的玻璃胶Si和GE纤维。材料表征表明纤维的多晶性质有限 ，氧气含量有限，没有裂纹 。核心中的氧气是由热活化的溶解和从玻璃覆层扩散的
。可以通过引入脱氧剂来实现极低的氧半导体纤维
，并且在需要单晶体时可以使用激光再结晶。使用JEOL JSM-7800F进行扫描电子显微镜和能量X射线光谱测量测量，并使用20 kV的加速电压和10 mm的工作距离进行 。通过XENOCS纳米轴收集的二维广角X射线散射提取X射线衍射数据（样品 - 检测器距离79.84 mm ，波长1.54189Å
，束尺寸200μm，暴露时间60 s和PSI旋转）在每位18°° ，束尺寸200μm。通过聚焦离子梁铣削制备透射电子显微镜薄片
。使用JEOL 2100F 200-kV场发射传输电子显微镜
，用双倾斜支架收集高分辨率的透射电子显微镜和选定的区域电子衍射图像。 　　收敛纤维图是一种修改的热图技术，它扩展了不受图形温度的过程兼容性限制的材料选择 。使用这种方法 ，聚合物转变为粘性流
，并收敛到半导体纤维和金属线，它们在被吸引到纤维尺寸时保持坚固
。 　　在我们设计的光电纤维设备时 ，将独立的SI或GE纤维放置在透明的聚碳酸酯覆层的中央
，并用两条铜或钨丝夹在夹杂，同时进行CPC ，以缩小半导体和金属和金属和金属和金属之间的间隙。在CPC和半导体之间的横向平面上构建了背对背的Schottky触点，并与两个金属总线进一步连接
，以使整个显微镜横向平面和沿元尺度纤维轴均能实现不错的电导率 。半导体芯比不透明的电极略厚，以使对射击光的伪弹性响应能够大于不透明电极
。值得注意的是 ，诸如激光再结晶等后处理技术和半导体制造方法（例如掺杂和光刻）都适用于半导体纤维
，并可能导致性能增强。 　　光电纤维收敛纤维图中使用的预成型的制备始于铣削两个聚碳酸酯平板，以创建三个半球通道 ，半径为2 mm
，距离为1 mm，距离在中心沿距离长度为1 mm 。然后 ，将三个通道之间的1 mm空间中的聚碳酸酯加油
，并放置两个1 mm的平方CPC平板
。然后将预形成在真空烤箱中（在170°C下3小时）中合并。在300°C下绘制了预成型，饲料速率和抽奖率分别为0.002 cm s -1和3.2 cm s -1 。铜线（用于单核纤维）和钨电线（用于双核纤维）被送入两个侧通道 ，在抽奖期间将Si或Ge纤维（在双核纤维的情况下使用两个纤维（在双核纤维的情况下）
。 　　使用软件套件ABAQUS/标准实现了固化和冷却阶段的有限元分析。在所有模拟中
，都采用了轴对称结构来降低计算成本 。仿真中使用的参数在补充表1和4中列出。 　　在第一阶段，在固化后进行应力分布进行粘弹性分析 ，并将玻璃覆层视为具有Maxwell Model33的粘弹性材料
。选择覆盖的归一化剪切弛豫模量作为值（0.99）接近1。固化时半导体的体积膨胀以虚拟温度变化引起的各向同性特征膜的形式应用 。由于在恒定速度下绘制长纤维是一个稳态过程，因此液体 - 固体界面在ΔT之后保持相同位置
。在ΔT期间形成的固体核心界界面的部分允许界面滑动。如果与应力松弛时间相比
，ΔT值的选择不影响核心的应力演化（扩展数据图7） 。我们的结论也适用于其他纤维半径与实验中使用的纤维半径不同的纤维（扩展数据图7）
。 　　在冷却阶段，考虑到其在低温下的粘度大得多 ，覆层的粘性效应被忽略了
，因此，将覆层建模为线性弹性材料。当温度达到覆层的退火点时 ，热残留应力开始在固化芯中积累
，而在上面，残留应力将迅速放松 。因此 ，在温度范围从环境温度（26°C）的温度范围内计算了热不匹配
。通过整合SI
，GE和二氧化硅34,35的线性热膨胀系数的温度依赖性数据，获得了该温度范围内的总热应变。两种终止纤维的横截面都受到约束 ，以使核心和覆层在轴向方向同步变形 。绘制力的效果被忽略了
，因为它产生的纤维张力（10-20 MPa）比固化膨胀和热不匹配而诱导的纤维张力小得多
。 　　毛细管不稳定性计算在补充注释2中描述，计算中使用的参数在补充表5中列出。电场分布是在具有极高网格的COMSOL静电模块中计算的 。 　　532 nm激光二极管（Thorlabs dj-532）和1,550 ，NM Ingaasp激光二极管（NEC NX5504EK）用作照明源。激光二极管电流控制器（Thorlabs LDC205C），温度控制器（Thorlabs Ted200C）和功能发生器（Agilent 33250 A）用于操作和调节照明源
。激光束由球形透镜聚焦
，并通过平孔期权透镜进一步将其变成椭圆形，以覆盖放置在光束中心的光电纤维的整个光圈。激光功率由功率计（Thorlabs PM100）监测 。在测量响应率和I – V曲线的测量中 ，使用源表（Keithley 6517b）进行电源和电流监测
。将与纤维的电连接建立在纤维脱毛器暴露的金属电极上。使用变速箱放大器电路（放大器OPA380
，负载电阻为5kΩ）进行NEP和上升时间测量 。通过示波器（Tektronix DPO5104B）收集波形，并采用了MATLAB（MATHWORKS）上升时间和Pwelch功能
。在所有测试中 ，将2 V的偏置电压应用于纤维。 　　线性翻译阶段（Thorlabs NRT150）用于拉伸和安装20-N力仪（Yisida ds2-20n）的压缩测试 。冲击强度是从未注明的夏比冲击测试中收集的
。在定制的测试机上进行了扭转强度测试。在Prtronic FT2000柔性电子测试仪上进行了环状弯曲测试 。在清洗性测试中使用了商用洗衣机
。遵循ISO 6330标准
，将十个洗涤周期应用于功能织物。 　　32×48毫米定制的印刷电路板（PCB）用作数据采集，处理和无线传输模块的接口板 。在变速器放大器电路中使用了两个GS8554（四个通道）操作放大器 ，从而使PCB上安装了八个光电纤维。使用蓝牙的无线传输到手机
。硬币电池用作电源。开发了一个定制的移动应用程序以进行可视化 。 　　通过与八个GE光电纤维相互处理
，可以实现功能性无檐小便帽，该纤维连接到位于无檐小便帽内部顶部空间中的PCB
。The demonstration of outdoor use was recorded at a pedestrian crossing at noon on a sunny day with the most intense sunlight of the day using a 30-mW 1,550-nm laser pointer as a signal source at a distance of 1.5 m to the beanie in Supplementary Video 2. Similarly, Si optoelectronic fibres were interknitted into a sweater and used to demonstrate a wearable receiver for an indoor Li-Fi communication system.该建筑物的照片（Nanyang Technological University的学习中心）是由一种定制算法从LED中编码的 ，该算法是从LED中进行的
，该算法被毛衣接收并转换为电信号，并用定制的算法解码以还原照片。Mini 532-NM LED条和SI光电纤维被整合到表带中 。与心跳引起的血管的体积变化有关的一小部分绿光从手腕散布到光电纤维 ，并产生反映心率的电信号
。常规的传感器生物反型SFH 7070用于相同的配置进行比较。在证明水下使用时，Si光电纤维被粘在迷你贝林的外表面上（右角台阶） 。PCB界面板安装在迷你贝尔米林下方
，并由防水塑料盒保护
。