無半導體邏輯門助力全 3D 打印有源器件

有源電子器件，也就是能夠控制電信號的組件，通常包含能接收、存儲和處理信息的半導體器件。

這些必須在潔淨室製造的組件需要先進的製造技術，而這種技術在少數幾個專業製造中心之外難以廣泛獲取。

在新冠疫情期間，半導體制造設施的普遍缺乏是全球電子產品短缺的一個原因，這擡高了消費者的成本，並且對從經濟增長到國防的方方面面都產生了影響。

能夠 3D 打印整個有源電子設備且無需半導體，或許能把電子產品製造帶到全球的企業、實驗室和家庭。

雖然這個想法還很遙遠，不過麻省理工學院的研究人員通過展示完全 3D 打印的可復位保險絲，朝這個方向邁出了重要的一步。這些保險絲是有源電子器件的關鍵組件，通常是需要半導體的。

研究人員的無半導體器件是利用標準 3D 打印硬件和一種廉價且可生物降解的材料生產出來的，能夠實現與有源電子器件中用於處理操作的基於半導體的晶體管相同的開關功能。

儘管距離半導體晶體管的性能還很遠，但 3D 打印的器件能用於一些基本的控制操作，比如調節電動機的速度。

“這項技術有實實在在的潛力。雖說我們在半導體方面沒法跟硅競爭，但我們的想法並非一定要取代現有的東西，而是要把 3D 打印技術推向未知的領域。簡而言之，這實際上關乎技術的民主化。這能夠讓任何人在遠離傳統制造中心的地方創建智能硬件。” 麻省理工學院微系統技術實驗室（MTL）的首席研究科學家、該論文的資深作者路易斯·費爾南多·貝拉斯克斯 - 加西亞（Luis Fernando Velásquez-García）說道。

該論文的主要作者是電氣工程和計算機科學專業的研究生豪爾赫·卡尼亞達（Jorge Cañada），他參與了此項研究。

包括硅在內的半導體是一種具備電性能的材料，通過添加某些雜質能夠對其進行定製。

一個硅器件可以有導電區和絕緣區，這取決於它的設計方式。

然而，研究人員最初並未打算 3D 打印不含半導體卻能像硅基晶體管那樣工作的器件。

這個項目是由另一個項目發展而來的，在那個項目中，他們利用擠出打印來製造電磁線圈，這是一種打印機先將細絲熔化，再通過噴嘴噴射材料，從而逐層製造物體的過程。

他們在正在使用的材料中發現了一個有趣的現象，即一種摻雜了銅納米顆粒的聚合物細絲。

如果他們向這種材料通入大量電流，它的電阻會出現巨大峰值，但在電流停止後不久就會恢復到原來的水平。

這種特性使工程師能夠製造出可以作爲開關的晶體管，這通常只與硅和其他半導體有關。晶體管通過開啓和關閉來處理二進制數據，用於形成執行計算的邏輯門。

“我們發現這有助於將 3D 打印硬件提升到一個新的水平。它爲電子設備提供某種程度的‘智能’提供了一個明確的方法，”維拉斯克斯 - 加西亞表示。

研究人員試圖用其他 3D 打印絲材複製同樣的現象，測試了摻雜碳、碳納米管和石墨烯的聚合物。最後，他們沒有找到另一種可打印且能用作可復位保險絲的材料。

他們推測，當材料被電流加熱時，其中的銅顆粒會散開，這導致電阻峰值增高，當材料冷卻且銅顆粒靠得更近時，電阻又會下降。他們還覺得，當加熱時，材料的聚合物基底會從結晶態變爲非晶態，然後在冷卻時又回到結晶態——這一現象被稱爲聚合物正溫度係數。

“目前，這是我們最好的解釋，但這並非完整答案，因爲這並不能解釋爲什麼它只發生在這種材料組合中。我們需要做更多的研究，但毫無疑問，這種現象是真實存在的，”他說。

該團隊利用這一現象一步打印出可用於形成無半導體邏輯門的開關。

這些器件是用薄的、3D 打印的銅摻雜聚合物痕跡製成的。

它們包含相交的導電區域，使研究人員能夠通過控制輸入開關的電壓來調節電阻。

雖然這些器件的性能不如硅基晶體管，但它們能夠用於更簡單的控制和處理功能，例如打開和關閉電機。

其實驗表明，即使經過 4000 次開關循環，這些器件也沒有出現劣化的跡象。

但基於擠出打印的物理原理和材料的特性，研究人員所能製造的開關尺寸存在限制。

他們能夠打印出幾百微米的器件，但最先進的電子產品中的晶體管直徑只有幾納米。

“實際情況是，在許多工程情形中，並不需要最好的芯片。說到底，您關心的只是您的設備能否完成任務。這項技術能夠滿足這樣的要求。”

“然而，和半導體制造不一樣，他們的技術採用的是可生物降解的材料，而且這個過程能耗少，產生的廢物也少。聚合物細絲還能摻雜其他材料，比如磁性微粒，這能實現更多功能。”

“未來，研究人員希望藉助這項技術來打印全功能的電子產品。他們正努力僅通過擠出 3D 打印來製造一個能正常工作的磁電機。他們還期望對這個過程進行細微調整，從而能夠構建更復雜的電路，並弄清楚他們能在多大程度上提升這些設備的性能。”

“‘本文證實了能夠使用擠出的聚合物導電材料來製造有源電子器件。這項技術能讓電子產品構建於 3D 打印結構之中。一個有趣的應用是在航天器上按需進行 3D 打印機電一體化，’斯坦福大學的威廉·E·艾爾工程學榮譽教授羅傑·豪（Roger Howe）說道，他未參與此項工作。”