麻省理工學院實現(xiàn)全3D打印無半導體邏輯門與可復位保險絲

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

△3D打印導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打印的可復位保險絲，這是有源電子設備中通常需要半導體的關鍵部件。該研究展示了使用標準3D打印硬件和廉價可生物降解材料制作的無半導體設備，能夠執(zhí)行與傳統(tǒng)基于半導體的晶體管相同的開關功能。

盡管目前該技術的性能還無法與硅半導體相媲美，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、麻省理工學院微系統(tǒng)技術實驗室首席研究科學家Luis Fernando Velásquez-García指出，這項技術并非旨在取代現(xiàn)有技術，而是將3D打印技術推向新的應用領域，實現(xiàn)技術的民主化。

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“無半導體、單片3D打印邏輯門和可復位保險絲”

3D打印開啟無半導體電子設備新時代

半導體材料，如硅，因其獨特的電特性而被廣泛應用于現(xiàn)代電子設備中。通過添加特定雜質(zhì)，可以定制導電和絕緣區(qū)域，從而使其成為制造晶體管的理想材料。晶體管是構成現(xiàn)代電子產(chǎn)品的基本單元，負責處理二進制數(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打印技術制造出能夠像硅基晶體管一樣工作的無半導體設備。他們的研究源于另一個項目，使用擠壓打印技術制造磁線圈。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。

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

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，為電子設備賦予一定程度的“智能”。他們嘗試使用其它3D打印細絲復制同樣的現(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絲能夠表現(xiàn)出類似自恢復保險絲的行為。

他們推測，當材料被電流加熱時，銅粒子會散開，導致電阻值激增；而當材料冷卻且銅粒子相互靠近時，電阻值又會下降。此外，他們還假設材料的聚合物基體在加熱時會從結晶狀態(tài)變?yōu)榉墙Y晶狀態(tài)，冷卻后又恢復結晶狀態(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體邏輯門的開關。這些開關由摻雜銅的聚合物制成的薄3D打印線組成，并包含相交的導電區(qū)域。這使得研究人員能夠通過控制輸入開關的電壓來調(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，例如開關電機。實驗表明，即使經(jīng)過4千次開關循環(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，麻省理工學院的研究人員目前能夠制造的開關體積有限。他們可以打印出幾百微米的設備，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)半導體制造不同，他們的技術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電材料制造有源電子設備的可能性。這項技術可以將電子設備直接內(nèi)置到3D打印結構中。一個有趣的應用是按需3D打印航天器上的機電一體化設備�！�

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