无半导体逻辑门助力全 3D 打印有源器件

有源电子器件,也就是能够控制电信号的组件,通常包含能接收、存储和处理信息的半导体器件。

这些必须在洁净室制造的组件需要先进的制造技术,而这种技术在少数几个专业制造中心之外难以广泛获取。

在新冠疫情期间,半导体制造设施的普遍缺乏是全球电子产品短缺的一个原因,这抬高了消费者的成本,并且对从经济增长到国防的方方面面都产生了影响。

能够 3D 打印整个有源电子设备且无需半导体,或许能把电子产品制造带到全球的企业、实验室和家庭。

虽然这个想法还很遥远,不过麻省理工学院的研究人员通过展示完全 3D 打印的可复位保险丝,朝这个方向迈出了重要的一步。这些保险丝是有源电子器件的关键组件,通常是需要半导体的。

研究人员的无半导体器件是利用标准 3D 打印硬件和一种廉价且可生物降解的材料生产出来的,能够实现与有源电子器件中用于处理操作的基于半导体的晶体管相同的开关功能。

尽管距离半导体晶体管的性能还很远,但 3D 打印的器件能用于一些基本的控制操作,比如调节电动机的速度。

“这项技术有实实在在的潜力。虽说我们在半导体方面没法跟硅竞争,但我们的想法并非一定要取代现有的东西,而是要把 3D 打印技术推向未知的领域。简而言之,这实际上关乎技术的民主化。这能够让任何人在远离传统制造中心的地方创建智能硬件。” 麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的首席研究科学家、该论文的资深作者路易斯·费尔南多·贝拉斯克斯 - 加西亚(Luis Fernando Velásquez-García)说道。

该论文的主要作者是电气工程和计算机科学专业的研究生豪尔赫·卡尼亚达(Jorge Cañada),他参与了此项研究。

包括硅在内的半导体是一种具备电性能的材料,通过添加某些杂质能够对其进行定制。

一个硅器件可以有导电区和绝缘区,这取决于它的设计方式。

然而,研究人员最初并未打算 3D 打印不含半导体却能像硅基晶体管那样工作的器件。

这个项目是由另一个项目发展而来的,在那个项目中,他们利用挤出打印来制造电磁线圈,这是一种打印机先将细丝熔化,再通过喷嘴喷射材料,从而逐层制造物体的过程。

他们在正在使用的材料中发现了一个有趣的现象,即一种掺杂了铜纳米颗粒的聚合物细丝。

如果他们向这种材料通入大量电流,它的电阻会出现巨大峰值,但在电流停止后不久就会恢复到原来的水平。

这种特性使工程师能够制造出可以作为开关的晶体管,这通常只与硅和其他半导体有关。晶体管通过开启和关闭来处理二进制数据,用于形成执行计算的逻辑门。

“我们发现这有助于将 3D 打印硬件提升到一个新的水平。它为电子设备提供某种程度的‘智能’提供了一个明确的方法,”维拉斯克斯 - 加西亚表示。

研究人员试图用其他 3D 打印丝材复制同样的现象,测试了掺杂碳、碳纳米管和石墨烯的聚合物。最后,他们没有找到另一种可打印且能用作可复位保险丝的材料。

他们推测,当材料被电流加热时,其中的铜颗粒会散开,这导致电阻峰值增高,当材料冷却且铜颗粒靠得更近时,电阻又会下降。他们还觉得,当加热时,材料的聚合物基底会从结晶态变为非晶态,然后在冷却时又回到结晶态——这一现象被称为聚合物正温度系数。

“目前,这是我们最好的解释,但这并非完整答案,因为这并不能解释为什么它只发生在这种材料组合中。我们需要做更多的研究,但毫无疑问,这种现象是真实存在的,”他说。

该团队利用这一现象一步打印出可用于形成无半导体逻辑门的开关。

这些器件是用薄的、3D 打印的铜掺杂聚合物痕迹制成的。

它们包含相交的导电区域,使研究人员能够通过控制输入开关的电压来调节电阻。

虽然这些器件的性能不如硅基晶体管,但它们能够用于更简单的控制和处理功能,例如打开和关闭电机。

其实验表明,即使经过 4000 次开关循环,这些器件也没有出现劣化的迹象。

但基于挤出打印的物理原理和材料的特性,研究人员所能制造的开关尺寸存在限制。

他们能够打印出几百微米的器件,但最先进的电子产品中的晶体管直径只有几纳米。

“实际情况是,在许多工程情形中,并不需要最好的芯片。说到底,您关心的只是您的设备能否完成任务。这项技术能够满足这样的要求。”

“然而,和半导体制造不一样,他们的技术采用的是可生物降解的材料,而且这个过程能耗少,产生的废物也少。聚合物细丝还能掺杂其他材料,比如磁性微粒,这能实现更多功能。”

“未来,研究人员希望借助这项技术来打印全功能的电子产品。他们正努力仅通过挤出 3D 打印来制造一个能正常工作的磁电机。他们还期望对这个过程进行细微调整,从而能够构建更复杂的电路,并弄清楚他们能在多大程度上提升这些设备的性能。”

“‘本文证实了能够使用挤出的聚合物导电材料来制造有源电子器件。这项技术能让电子产品构建于 3D 打印结构之中。一个有趣的应用是在航天器上按需进行 3D 打印机电一体化,’斯坦福大学的威廉·E·艾尔工程学荣誉教授罗杰·豪(Roger Howe)说道,他未参与此项工作。”