麻省理工學(xué)院實現(xiàn)全3D打印無半導(dǎo)體邏輯門與可復(fù)位保險絲

2024年10月16日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院（MIT）的研究人員在有源電子產(chǎn)品的制造領(lǐng)域取得了突破，利用3D打印技術(shù)顯著推進了可控制電信號的電子元件的生產(chǎn)。

△3D打印導(dǎo)電跡線在高電流作用下的行為示例

在該項目中，研究人員成功展示了完全3D打印的可復(fù)位保險絲，這是有源電子設(shè)備中通常需要半導(dǎo)體的關(guān)鍵部件。該研究展示了使用標(biāo)準(zhǔn)3D打印硬件和廉價可生物降解材料制作的無半導(dǎo)體設(shè)備，能夠執(zhí)行與傳統(tǒng)基于半導(dǎo)體的晶體管相同的開關(guān)功能。

盡管目前該技術(shù)的性能還無法與硅半導(dǎo)體相媲美，但它在調(diào)節(jié)電動機速度等基本控制操作方面已展現(xiàn)出潛力。該研究的主要作者、麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室首席研究科學(xué)家Luis Fernando Velásquez-García指出，這項技術(shù)并非旨在取代現(xiàn)有技術(shù)，而是將3D打印技術(shù)推向新的應(yīng)用領(lǐng)域，實現(xiàn)技術(shù)的民主化。

這一進展為全球的企業(yè)、實驗室和家庭提供了新的可能性，使它們能夠利用3D打印技術(shù)制造智能硬件，而無需依賴傳統(tǒng)的制造中心。

△該研究論文已發(fā)表在《虛擬和物理原型》期刊上，題目為“無半導(dǎo)體、單片3D打印邏輯門和可復(fù)位保險絲”

3D打印開啟無半導(dǎo)體電子設(shè)備新時代

半導(dǎo)體材料，如硅，因其獨特的電特性而被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代電子設(shè)備中。通過添加特定雜質(zhì)，可以定制導(dǎo)電和絕緣區(qū)域，從而使其成為制造晶體管的理想材料。晶體管是構(gòu)成現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本單元，負(fù)責(zé)處理二進制數(shù)據(jù)并形成執(zhí)行計算的邏輯門。

然而，研究人員最初并非旨在通過3D打印技術(shù)制造出能夠像硅基晶體管一樣工作的無半導(dǎo)體設(shè)備。他們的研究源于另一個項目，使用擠壓打印技術(shù)制造磁線圈。在這一過程中，他們發(fā)現(xiàn)了一種有趣的材料特性：摻雜了銅納米顆粒的聚合物細(xì)絲。這種材料在通入大量電流時，電阻會急劇上升，但在電流停止后不久又會恢復(fù)到原始水平。這一現(xiàn)象引起了工程師們的極大興趣，因為它可以被用來制造開關(guān)。

△PPTC現(xiàn)象的簡化圖。為了清晰起見，圖中沒有考慮大多數(shù)聚合物的半結(jié)晶性質(zhì)（即它們通常由結(jié)晶相和非晶相組成）

研究人員指出，這種特性可以幫助將3D打印硬件提升到一個新的水平，為電子設(shè)備賦予一定程度的“智能”。他們嘗試使用其它3D打印細(xì)絲復(fù)制同樣的現(xiàn)象，包括摻雜碳、碳納米管和石墨烯的聚合物，但最終發(fā)現(xiàn)只有摻雜銅納米顆粒的聚合物細(xì)絲能夠表現(xiàn)出類似自恢復(fù)保險絲的行為。

他們推測，當(dāng)材料被電流加熱時，銅粒子會散開，導(dǎo)致電阻值激增；而當(dāng)材料冷卻且銅粒子相互靠近時，電阻值又會下降。此外，他們還假設(shè)材料的聚合物基體在加熱時會從結(jié)晶狀態(tài)變?yōu)榉墙Y(jié)晶狀態(tài)，冷卻后又恢復(fù)結(jié)晶狀態(tài)，這種現(xiàn)象被稱為聚合物正溫度系數(shù)。

盡管目前這是他們最好的解釋，但研究人員承認(rèn)這并非完整的答案。他們表示，為什么這種現(xiàn)象只發(fā)生在這種特定的材料組合中尚不清楚，需要進一步的研究來驗證。盡管如此，這種現(xiàn)象是真實存在的。

△3D打印的Cu摻雜PLA跡線中PPTC效應(yīng)的表征

3D打印有源電子產(chǎn)品

該團隊利用這一現(xiàn)象，在單一步驟中成功打印出可用于形成無半導(dǎo)體邏輯門的開關(guān)。這些開關(guān)由摻雜銅的聚合物制成的薄3D打印線組成，并包含相交的導(dǎo)電區(qū)域。這使得研究人員能夠通過控制輸入開關(guān)的電壓來調(diào)節(jié)電阻。

盡管這些器件的性能不如硅基晶體管，但它們足以勝任更簡單的控制和處理功能，例如開關(guān)電機。實驗表明，即使經(jīng)過4千次開關(guān)循環(huán)，這些器件也未出現(xiàn)任何性能下降。

然而，由于擠壓打印的物理原理和材料特性，麻省理工學(xué)院的研究人員目前能夠制造的開關(guān)體積有限。他們可以打印出幾百微米的設(shè)備，但最先進的電子產(chǎn)品中的晶體管直徑只有幾納米。不過，與傳統(tǒng)半導(dǎo)體制造不同，他們的技術(shù)使用可生物降解的材料，且過程能耗更低，產(chǎn)生的廢物也更少。此外，聚合物細(xì)絲還可以摻雜其他材料，如磁性顆粒，以實現(xiàn)額外功能。

斯坦福大學(xué)的William E. Ayer工程名譽教授Roger Howe評論道：“該研究展示了使用擠壓聚合物導(dǎo)電材料制造有源電子設(shè)備的可能性。這項技術(shù)可以將電子設(shè)備直接內(nèi)置到3D打印結(jié)構(gòu)中。一個有趣的應(yīng)用是按需3D打印航天器上的機電一體化設(shè)備。”

未來，麻省理工學(xué)院的研究人員計劃利用這項技術(shù)打印出功能齊全的電子產(chǎn)品，并希望僅使用擠壓式3D打印技術(shù)制造出一臺可以正常工作的磁力馬達(dá)。他們還計劃對這一過程進行微調(diào)，以構(gòu)建更復(fù)雜的電路，并探索這些設(shè)備性能的極限。