一顶设计时尚的帽子，却能帮助视障人士感知交通信号的变化；一件可清洗的保暖毛衣，还能通过Li-Fi（光照上网）技术收集人体的健康信息……随着柔性电子纤维技术的日趋成熟，纺织品在人体大健康领域的应用也越来越“时尚”了。zHX中国袜业网

       “能够让纺织品探测、收集、传递人体健康数据的基础是柔性电子纤维，而光电探测器则是柔性电子纤维中的核心元器件。”中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所研究员张其冲介绍智能纤维与柔性可穿戴技术的最新研究成果时表示，纤维状光电探测材料与器件的研发成功，为将柔性电子纤维编织成透气且导湿的织物提供了基础性的保障与支撑，突破了大健康纺织品基础技术瓶颈。zHX中国袜业网

       把芯片“纺”成丝zHX中国袜业网

       半导体芯片是光电探测器的主要组成部分。要把光电探测器“编织”成织物，首先必须把像石头一样硬的半导体芯片“纺”成丝。zHX中国袜业网

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       半导体芯片“纺”成丝，由刚到柔、由大到小。zHX中国袜业网

       “我们研发的晶体物理熔融再拉伸物理尺寸减小的工艺，可将刚性平面结构的无机半导体直接制备成超柔的纤维。”谈到半导体的本征脆性给纺织品柔性可穿戴需求带来的挑战，张其冲表示，以熔融芯法纤维形成三个阶段（粘性流动、芯结晶和随后的冷却）的应力分布和毛细管不稳定性的理论研究为指导，通过核心半导体材料和壳体材料的机械匹配原则，研发团队突破了脆性无机半导体材料的纤维柔性化技术，实现了超长、无断裂和无扰动无机半导体纤维的连续化制备。zHX中国袜业网

       张其冲介绍，为了获得连续超长晶体半导体纤维，研发团队一方面研发了熔芯光纤热拉法晶体生长技术，利用这种技术能将半导体芯熔化成流体流，并将该流体流限制在玻璃包层中热拉成光纤。另一方面，创新利用锗代替了传统芯片材料硅，从而降低了粘性流动芯结晶在冷却过程中纤芯和包层之间的应力；利用硼硅玻璃代替了传统的硅酸盐玻璃作为纤芯的包层，从而降低了半导体成纤时的温度，延长了总成纤长度。通过材料和工艺技术创新，研发团队实现了将脆性半导体拉伸成为一种柔性功能纤维的大规模制备。zHX中国袜业网

       “我们可以在一次拉丝过程中以每分钟几十米的速度生产超过数百米的半导体纤维，改变了传统技术每小时只能生产几厘米或几十厘米半导体纤维的局面。同时，我们研制的锗半导体纤维单丝直径仅有0.327纳米，200微米合股纤维强力高达500兆帕，制备出的纤维状光电探测材料与器件具有柔软、全方位探测、可高度集成的特点，不仅能制成透气导湿的织物，还能与复杂表面完美融合。”张其冲说。zHX中国袜业网

       把电子“织”进布zHX中国袜业网

       用柔性半导体纤维“织”成的大面积光电织物，必须既要具有舒适性、耐弯曲疲劳、可水洗和透气性等纺织品的特性，又要具备健康监测和数据通信传输的灵敏度和可靠性，才能满足大健康纺织品功能的需求。zHX中国袜业网

       “我们破解了电荷在高曲率纤维中快速传输与纤维界面稳定机制，突破了光电材料在一维限域空间内组装的技术瓶颈。”谈到柔性半导体纤维如何满足大健康纺织品功能性的需求，张其冲表示，研发团队开发的收敛热拉法，将半导体纤维集成到具有不同设计的导体、半导体和绝缘体复合结构中，由此获得的光电纤维具有高度的灵敏性，解决了高性能的无机半导体材料与热拉法制备纤维的兼容性问题。更重要的是，这些纤维的柔软轻便和出色的机械性能使其特别适合构建大面积光电织物，同时又保持轻质、舒适性、可机洗和透气性等有利特性。zHX中国袜业网

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       用柔性半导体纤维织成的大面积光电探测织物。zHX中国袜业网

       张其冲介绍，研发团队进一步研发的收敛热拉制法工艺，可将单一材料纤维的热拉制法扩展为绝缘体、导体和半导体等多材料的纤维制备工艺。比如，研发团队在单根头发丝粗细的纤维内建立如高分子聚合物类绝缘体、铜等金属类导体、硅/锗半导体之间形成三层紧密稳固的材料界面，在一次拉制的同时完成器件的装配及封装，制成的光电纤维探测器具有多功能性，以及在极端环境下表现出优异的稳定性，可在水下3000米甚至更大的压力环境下稳定工作。zHX中国袜业网

       “我们研制的纤维状光电探测器在2V偏压下表现出的灵敏度高达0.55A/W，响应时间仅有900纳秒，完全媲美传统商用平面型光电探测器。它能与人们的日常衣着无缝融合，为人体生理数据传输、健康管理、安全监测等健康需求的无感链接提供了新的可能。”张其冲说。zHX中国袜业网

       把AI“穿”上身zHX中国袜业网

       在海洋潜水作业中，轻巧、便携式水下通信设备对水下作业至关重要。如今，潜水员只需穿上“编织”有自供能纤维状光电探测器的潜水服，就能与水面或陆地进行及时、准确的无线通信传输，克服了传统携带式固态光电探测器水下应用时响应缓慢、易出故障以及需要额外的能源供应等问题。zHX中国袜业网

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       自供能纤维状光电探测器zHX中国袜业网

       “我们研制的柔性自供能纤维状光电探测器在零偏压的条件下能实现88.6mA/W的高响应度和小于30毫秒的响应时间，完全满足了水下应用的需求。”张其冲介绍，利用熔芯光纤热拉法晶体生长技术和收敛热拉制法工艺，研发团队将表面含有二氧化钛的铁金属有机骨架（TiO₂-NiFeMOF）纳米棒作为阳极材料，将表面含有镍普鲁士蓝（KNHCF）的碳纳米管作为储能电极材料，以及将凝胶作为电解质材料，组装了自供电光电化学纤维状光电探测器。这种新型探测器不仅解决了水下应用时额外的能源供应问题，其TiO₂-NiFeMOF异质分层结构的合理设计更有助于在互连界面上实现高效的载流子耦合和快速的电荷转移，从而有效地增强了通信传输的准确性和及时性。以此材料编织的纺织品为野外作业人员的健康监测和促进水下光电通信传输提供了一种多功能工具。zHX中国袜业网

       纤维状光电人工突触zHX中国袜业网

       柔性电子纤维技术为传统纺织品成为人工智能新载体提供了技术支撑。中科院苏州纳米所的研发团队研发了一种纤维状光电人工突触器件，并成功地将多个纤维状光电人工突触器件织入织物，形成光电流成像纺织品。这种织物能够感知数字光学图像信息并形成记忆，为视障人士开发可穿戴具有视觉记忆的纺织品提供了可能。zHX中国袜业网

       “我们利用纤维状光电人工突触器件优良的多方向光吸收特性，通过间隔时间为10秒的连续的光/电脉冲信号，诱导电子织物实现‘学习—巩固—再学习’的行为仿生功能。未来，这种仿生人工视觉系统将在人机交互、图像识别、自动驾驶和低功耗光神经形态等智能穿戴应用中展现出巨大的潜力。”谈到柔性电子纤维光电探测器的未来，张其冲表示，在制备领域，其“纤芯—包层”的结构理论，为半导体纤维的拉制开创了普适性的局面，突破了无机半导体纤芯拉丝制备过程中无裂纹结晶的长期科学难题；在应用领域，这种柔韧稳定的“头发丝”型探测器生产技术的日趋成熟，使微型计算机嵌入日常服装的目标又近了一步。zHX中国袜业网