劃重點(diǎn)
01麻省理工學(xué)院的研究人員在3D打印技術(shù)方面取得了重大突破，成功制造出無需半導(dǎo)體的主動電子設(shè)備。
02該設(shè)備由銅摻雜的聚合物薄層通過3D打印制成，內(nèi)部交叉的導(dǎo)電區(qū)域使研究人員可以通過控制輸入的電壓來調(diào)節(jié)電阻。
03盡管這些3D打印設(shè)備的性能暫時還無法與半導(dǎo)體晶體管相比，但它們已經(jīng)可以用于一些基本的控制操作，比如調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。
04未來，研究團(tuán)隊(duì)希望利用這項(xiàng)技術(shù)打印出功能齊全的電子設(shè)備，如完全工作的磁動機(jī)。
05由于這種聚合物線材可以摻入其他材料，例如磁性微粒，因此這些設(shè)備具有更多功能。
以上內(nèi)容由騰訊混元大模型生成，僅供參考
來源：MIT News | 圖片說明：3D 打印設(shè)備寬度僅為 10 毫米，表面呈現(xiàn)明顯的粘稠質(zhì)感。兩張熱成像圖展示了設(shè)備能夠承受的溫度變化。設(shè)備由銅摻雜的聚合物薄層通過 3D 打印制成，內(nèi)部交叉的導(dǎo)電區(qū)域使研究人員可以通過控制輸入的電壓來調(diào)節(jié)電阻。
主動電子設(shè)備能夠控制電信號的組件通常由半導(dǎo)體器件組成，用于接收、存儲和處理信息。這些器件需要在無塵室中制造，且依賴高度復(fù)雜的制造技術(shù)，這些技術(shù)只在少數(shù)專業(yè)制造中心才具備。
span style="color:rgb(0, 0, 0)">在新冠疫情期間，全球半導(dǎo)體制造能力不足導(dǎo)致電子產(chǎn)品短缺，推高了消費(fèi)者的購買成本，并影響了從經(jīng)濟(jì)增長到國家安全等多個領(lǐng)域。如果能通過 3D 打印技術(shù)，制造出不依賴半導(dǎo)體的完整主動電子設(shè)備，電子設(shè)備的制造將可以拓展至全球各地的企業(yè)、實(shí)驗(yàn)室，甚至是家庭。
雖然這個目標(biāo)仍需時日，但 MIT 的研究人員已經(jīng)向這個方向邁出了重要的一步。他們成功展示了一種完全通過 3D 打印制造的可復(fù)位保險絲，這種保險絲是主動電子設(shè)備中的關(guān)鍵部件，通常需要半導(dǎo)體才能實(shí)現(xiàn)。
研究人員利用標(biāo)準(zhǔn)的 3D 打印設(shè)備和一種廉價、可生物降解的材料，制造出了無需半導(dǎo)體的設(shè)備。該設(shè)備能夠執(zhí)行類似于傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管的開關(guān)功能，而晶體管是主動電子設(shè)備中用于處理操作的核心元件。
盡管這些 3D 打印設(shè)備的性能暫時還無法與半導(dǎo)體晶體管相比，但它們已經(jīng)可以用于一些基本的控制操作，比如調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。
“這項(xiàng)技術(shù)前景廣闊。雖然我們無法與硅作為半導(dǎo)體的性能競爭，但我們的目標(biāo)并不是取代現(xiàn)有的技術(shù)，而是推動 3D 打印技術(shù)進(jìn)入新的領(lǐng)域。簡而言之，這項(xiàng)技術(shù)的核心是讓科技更加大眾化。它可以讓任何人，無論他們身處何地，都能夠制造智能硬件，”MIT 微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）的首席研究科學(xué)家 Luis Fernando Velásquez-García 表示。他是該研究論文的資深作者，這篇論文已發(fā)表在《虛擬與物理原型》期刊上。
這篇論文的第一作者是 MIT 電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系的研究生 Jorge Caada。
意外發(fā)現(xiàn)
包括硅在內(nèi)的半導(dǎo)體材料，其電學(xué)性質(zhì)可以通過添加特定雜質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，從而在同一器件上實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)的轉(zhuǎn)換。正是這種特性使得硅成為制造晶體管的理想材料，而晶體管是現(xiàn)代電子設(shè)備的基礎(chǔ)構(gòu)件。
然而，研究團(tuán)隊(duì)最初并沒有打算 3D 打印出類似硅基晶體管的無半導(dǎo)體器件。
這個項(xiàng)目最早源自他們正在進(jìn)行的另一個研究項(xiàng)目，當(dāng)時他們使用擠出打印技術(shù)制造磁性線圈。擠出打印是通過熔化線材，隨后通過噴嘴逐層打印材料來構(gòu)建物體的技術(shù)。
在他們使用的一種摻銅納米顆粒的聚合物材料中，意外地觀察到了一種特殊現(xiàn)象。
當(dāng)他們向這種材料施加大電流時，材料的電阻會急劇上升，但電流停止后，電阻又會迅速恢復(fù)到原來的水平。
這一特性使得工程師能夠制造類似晶體管的開關(guān)，而晶體管通常與硅等半導(dǎo)體材料相關(guān)。晶體管通過開關(guān)操作處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建用于計(jì)算的邏輯門。
“我們發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象對推動 3D 打印技術(shù)具有巨大潛力。它為電子設(shè)備提供了一種簡單而有效的方式，使其具備一定程度的‘智能’功能，”Velásquez-García 說道。
研究團(tuán)隊(duì)還嘗試用其他 3D 打印材料復(fù)現(xiàn)這一現(xiàn)象，比如摻雜碳、碳納米管和石墨烯的聚合物材料，但最終未能找到另一種可以實(shí)現(xiàn)這種可復(fù)位保險絲功能的可打印材料。
研究人員推測，當(dāng)這種材料被電流加熱時，內(nèi)部的銅顆粒會分散開，從而導(dǎo)致電阻急劇上升；當(dāng)材料冷卻后，銅顆粒再次聚集，電阻恢復(fù)。他們還認(rèn)為，聚合物基材在加熱時從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，冷卻后又重新結(jié)晶，這種現(xiàn)象被稱為聚合物正溫度系數(shù)效應(yīng)。
“目前，這是我們最合理的解釋，但仍不足以完全說明為什么這種現(xiàn)象只出現(xiàn)在這種特定的材料組合中。我們需要進(jìn)一步研究，但可以確定的是，這一現(xiàn)象是真實(shí)存在的，”他說。
3D 打印主動電子設(shè)備
研究團(tuán)隊(duì)利用這一現(xiàn)象，成功實(shí)現(xiàn)了一步打印出可用于構(gòu)建無半導(dǎo)體邏輯門的開關(guān)。
這些設(shè)備由細(xì)薄的摻銅聚合物 3D 打印線條構(gòu)成，內(nèi)部交叉的導(dǎo)電區(qū)域使研究人員能夠通過控制輸入電壓來調(diào)節(jié)電阻。
雖然這些設(shè)備的性能不及硅基晶體管，但它們已經(jīng)可以用于簡單的控制和處理功能，比如控制電動機(jī)的啟停。實(shí)驗(yàn)顯示，即使經(jīng)過 4000 次的開關(guān)循環(huán)，這些設(shè)備依然保持完好，沒有出現(xiàn)任何退化的跡象。
不過，擠出打印技術(shù)和材料本身的物理特性限制了研究團(tuán)隊(duì)能將這些開關(guān)做得多校他們當(dāng)前可以打印出幾百微米大小的設(shè)備，但最先進(jìn)的電子設(shè)備中的晶體管直徑僅為幾納米。
“實(shí)際上，很多工程應(yīng)用并不需要最頂尖的芯片。最終你只關(guān)心設(shè)備能否完成任務(wù)，而這項(xiàng)技術(shù)能夠滿足這樣的需求，”他說。
與半導(dǎo)體制造不同，研究團(tuán)隊(duì)的技術(shù)采用了可生物降解的材料，并且制造過程能耗更低、廢物更少。此外，這種聚合物線材還可以摻入其他材料，例如磁性微粒，從而賦予設(shè)備更多功能。
未來，研究團(tuán)隊(duì)希望利用這項(xiàng)技術(shù)打印出功能齊全的電子設(shè)備。他們的目標(biāo)是通過擠出 3D 打印技術(shù)制造出一個完全工作的磁動機(jī)。此外，他們還計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化工藝，制造更加復(fù)雜的電路，并探索這些設(shè)備的性能極限。
“這篇論文展示了如何使用擠出成型的聚合物導(dǎo)電材料制造主動電子設(shè)備。這項(xiàng)技術(shù)可以將電子元件嵌入 3D 打印結(jié)構(gòu)中。一個有趣的應(yīng)用場景是利用這項(xiàng)技術(shù)在航天器上按需 3D 打印機(jī)電一體化設(shè)備，”斯坦福大學(xué)工程學(xué)院榮休教授 Roger Howe 表示，他并未參與此項(xiàng)研究。/span>
該研究部分由 Empiriko Corporation 資助。
原文鏈接：
https://news.mit.edu/2024/mit-team-takes-major-step-toward-fully-3d-printed-active-electronics-1015
