麻省理工學(xué)院實(shí)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(jìn)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(jī)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)技術(shù)的民主化,。

這一進(jìn)展為全球的企業(yè),、實(shí)驗(yàn)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(dú)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(jìn)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?yàn)樗�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(jìn)一步的研究來驗(yàn)證,。盡管如此,，這種現(xiàn)象是真實(shí)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(tuán)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(jī),。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)現(xiàn)額外功能,。

斯坦福大學(xué)的William E. Ayer工程名譽(yù)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(jī)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(jìn)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,。