全3D打印技術(shù)+可降解功能，無需半導(dǎo)體材料的電子器件問世 2024-10-25
美國麻省理工學(xué)院團隊在電子制造領(lǐng)域取得一項重要進展：他們利用全3D打印技術(shù)，制作出了不需要半導(dǎo)體材料的有源電子設(shè)備器件。這一突破性研究發(fā)表在新一期《虛擬與物理原型》雜志上，為將來的電子制造開辟了新途徑。
團隊使用普通的3D打印機和成本低廉、可生物降解的材料，打印了這些無半導(dǎo)體器件。雖然這些器件性能還不足以與傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管相比，但它們已能執(zhí)行一些基本的控制任務(wù)，比如調(diào)節(jié)電動機的速度。這項新技術(shù)使用的能量較少，產(chǎn)生的廢物也更少，不僅降低了生產(chǎn)成本，還減少了對環(huán)境的影響。
實驗過程中，團隊發(fā)現(xiàn)摻雜銅納米顆粒的聚合物細絲具有一種特別的現(xiàn)象：當(dāng)通過大電流時，材料會表現(xiàn)出顯著的電阻增加；而一旦停止供電，其電阻又迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種特性使該材料可被用作開關(guān)元件，類似于半導(dǎo)體中的晶體管。團隊嘗試了多種不同摻雜物（包括碳、碳納米管以及石墨烯）的聚合物細絲，但只有含銅納米顆粒的細絲展現(xiàn)出了自復(fù)位能力。
基于這種現(xiàn)象，團隊認為，電流導(dǎo)致的熱效應(yīng)或使銅粒子擴散開來，增加了電阻；而在冷卻后，銅粒子重新聚集，電阻隨之降低。此外，聚合物基質(zhì)從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)再轉(zhuǎn)回的過程，也可能對電阻的變化有所貢獻。
利用這一原理，團隊開發(fā)出一種新型邏輯門，它由銅摻雜聚合物制成的細絲構(gòu)成，可以通過調(diào)整輸入電壓來控制電阻變化。
此外，向聚合物細絲中添加其他功能性微粒，還可實現(xiàn)更加復(fù)雜多樣的應(yīng)用。
這一成果展示了未來小型企業(yè)自主生產(chǎn)簡單智能硬件的可能性。
邏輯門是數(shù)字邏輯電路基本單元，“或”“與”“非”“或非”“與非”，任何復(fù)雜的邏輯電路都可由這些邏輯門組成。晶體管可以實現(xiàn)對輸出電流的開關(guān)控制，通過不同電路配置，實現(xiàn)多個邏輯門功能。此次，科研團隊成功利用3D打印技術(shù)，制作出了不需要半導(dǎo)體材料的有源電子設(shè)備組件。雖然性能不足以媲美晶體管，但摻雜銅納米顆粒的聚合物細絲已經(jīng)具備基本的控制功能，且這種材料成本低、廢物少，或能成為晶體管的“平替”。
來源：電子工程世界