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突破创新!Nature:中国科研团队制备出高品质Si/Ge及柔性传感器【附智能穿戴技术赛道洞察】

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 瞻研究 • 2024-02-06 10:55:30 来源:前瞻网 E2168G0
100大行业全景图谱

瞻观前沿

2月1日,中国科学院深圳先进技术研究院材料所光子信息与能源材料研究中心杨春雷课题组陈明研究团队,联合新加坡南洋理工大学教授魏磊和中国科学院外籍院士高华健团队、中国科学院苏州纳米所研究员张其冲团队,在《自然》(Nature)上发表了题为High-quality Semiconductor Fibres via Mechanical Design的研究论文。该研究报道了一种基于热拉制工艺的大规模生产高质量半导体硅、锗纤维的制备技术,实现了硅、锗等传统脆性半导体的纤维化和柔性化,并以光电纤维pn结为例演示了半导体纤维在柔性电子领域的创新应用。 

一维纤维作为新兴的无机半导体材料应用形态,具有细和柔的独特优势。它为柔性电子器件与人们日常衣着的无缝融合、柔性电子设备与日常生活的无感链接提供了新的可能性。然而,快速和大长度的高质量半导体纤维制备技术是科学界的挑战。

该研究从传统的光纤制备及热拉制工艺中获得灵感,将单一材料纤维的热拉制法扩展为多材料的制备工艺,并从固体力学和流体力学的角度出发,解决了无机半导体纤维热拉制过程中的多材料体系应力失配和流体不稳定性问题,实现了每分钟数米至数十米高速拉制长达数百米的Si/Ge半导体纤维制备策略。研究进一步采用收敛热拉制法,在单根头发丝粗细的纤维内建立绝缘体、导体和半导体之间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,形成的光电纤维探测器在极端环境下表现出优异稳定性,可在水下三千米甚至更深的压力环境下稳定工作。 

技术价值观察

这种柔韧稳定的“头发丝”型传感器既可以单独使用又可以编织进布料中,从而将被动式的衣物打造成功能性“智能”穿着。该研究首次明确了“纤芯-包层”力学相互作用,提出了半导体纤维拉制的普适性策略,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。 

基于这一项突破性的研究成果,新一代智能穿戴设备将迎来革命性的变革。通过将半导体纤维制备技术应用到智能穿戴设备中,我们将能够实现更加柔性、轻便和稳定的设备设计,为用户提供更加舒适和便捷的智能穿戴体验。

可穿戴设备产业链涉及环节较多,从产业分工维度看可分为上游关键器件、中游设备生产企业、下游产品销售渠道和服务三个环节。

图表1:可穿戴设备产业链

宏观市场观察

智能可穿戴设备出货量快速增长

2017-2021年中国智能可穿戴设备出货量不断增加。根据IDC数据,2021年第四季度中国智能可穿戴设备市场出货量为3753万台,同比增长23.9%。2021年中国智能可穿戴市场出货量近1.4亿台,同比增长25.4%。预计2022年,中国可穿戴市场出货量超过1.6亿台,同比增长18.5%。

图表4:2017-2022年中国智能可穿戴设备出货量(单位:万台)

硬件制造商获得大部分收益

目前可穿戴设备的大部分盈利仍保留在硬件制造商手中,而基于智能终端产品的服务商只获得了其中很小一部分。数据显示,可穿戴设备75%的利润将被硬件厂商获得;其余25%的利润将被半导体厂商和各种服务厂商瓜分,其中半导体厂商获得3%左右,提供移动商务等服务的厂商获得18%左右,提供数据分析和消费者服务的厂商将获得4%左右。

图表3:可穿戴设备盈利结构(单位:%)

产品体验提升,便携度、性能全面提升

随着时间推移,“可穿戴设备”这个词的含义发生了很大变化。传统的可穿戴设备是指穿戴在身上的设备,比如健身追踪器、耳机和智能手表,但随着非消费电子产业的需求不断增加,“可穿戴设备”的定义已扩大到包括我们与之互动的所有便携设备。在当前和未来的物联网世界中,将出现各种类型的可穿戴设备,以支持和改善日常工作和生活,让最终用户能够获取和管控关于健康、位置和工作任务的信息。

图表16:中国可穿戴设备产业发展趋势分析

中国智能穿戴设备技术赛道热力图

根据前瞻产业热力图显示,目前智能穿戴设备关键技术强相关的城市集群主要集中在我国长三角地区和粤港澳大湾区,尤其是广东省为行业重点发展区域。这些城市群已投入大量政策、资金、环境和人才资源用于智能穿戴设备技术发展,成为潜在的智能穿戴设备技术发展中心。根据热力图的分布,广东省深圳市有极大的可能性成为智能穿戴设备技术的先导区域。重点关注广东省深圳市龙华区,宝安区以及广州市天河区等地的相关企业,以及这些地方对智能穿戴设备产业发展的投资环境和潜力市场。

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