研究人员成功创建了不使用半导体但仍能在电子设备中进行计算的3D打印逻辑门。通过消除对半导体材料的需求，这一进展为潜在的全功能活跃电子设备的3D打印铺平了道路。
活跃电子元件管理电信号，通常依赖半导体设备来接收、存储和处理信息。这些半导体在洁净室中制造，需要往往仅限于专门设施的先进技术。
新冠疫情突显了全球电子供应链的脆弱性，半导体制造设施的稀缺导致了广泛的电子短缺。这种情况加剧了消费者成本并影响了多个行业，包括经济增长和国家安全。能够在没有半导体材料的情况下3D打印整个活跃电子设备可能会使电子制造变得更为普及，让全球各地的企业、实验室和家庭都能接触到。
虽然这一概念仍在发展中，但麻省理工学院的研究人员在展示完全3D打印的可重置熔断器方面取得了重大进展。这些熔断器是活跃电子设备中的关键组件，通常依赖半导体。
他们的设备使用标准的3D打印设备和一种经济实用、可生物降解的材料，可以执行类似于活跃电子中基于半导体的晶体管的基本开关功能。
尽管这些3D打印设备的性能尚未达到半导体晶体管的水平，但它们可以执行基本的控制任务，如管理电动机的速度。正如麻省理工学院微系统技术实验室的首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García所解释的：“虽然我们无法直接与硅半导体竞争，我们的目标不是取代现有技术，而是探索3D打印的新可能性。最终，这关乎让技术变得可及，让任何人都能在传统制造中心之外创造智能硬件。”他共同撰写了一篇详细描述这些发展的论文，发表在《虚拟与物理原型》上。
电气工程和计算机科学的研究生Jorge Cañada是这篇论文的主要作者。
一个意外的项目
像硅这样的半导体可以通过引入某些杂质来工程化以具有特定的电气特性，导致导电区域和绝缘区域的形成。这一能力使得硅非常适合制造晶体管，而晶体管是现代电子的基础。
然而，研究人员最初并没有设定目标要创建模仿硅基晶体管行为的3D打印设备。
该项目源于一个实验，涉及使用挤出打印技术生产磁线圈。该技术涉及熔化耗材并逐层沉积形成物体。
在与铜纳米粒子结合的聚合物耗材进行实验时，研究人员注意到了一种独特的现象。当施加显著的电流时，材料中的电阻骤增，但在电流停止后不久又恢复至基线水平。
这一特性使得可以创建作为开关工作的晶体管，这是通常为硅和其他半导体保留的角色。晶体管迅速开关来处理二元数据，形成促进计算的逻辑门。
“我们意识到这是推动3D打印硬件能力提升的机会，为电子设备赋予一些‘智能’，”Velásquez-García补充道。
团队还探索了其他3D打印材料是否能复制这一现象，测试了多种掺碳聚合物、碳纳米管和石墨烯。最终，没有其他材料产生所需的可重置熔断器效果。
研究人员认为，当电流加热聚合物中的铜粒子时，这些粒子会分散，从而导致电阻的激增，随着材料冷却和粒子回到更接近的位置，电阻降低。他们还猜测聚合物的结构在受热时从晶态转变为无定形态，随着冷却又恢复为晶态——这种变化被称为聚合物正温度系数。
“目前，这是我们最好的解释，但并不完全解决这一现象在特定材料组合中发生的原因。需要进一步的研究，但现象是明确存在的，”他说。
3D打印活跃电子
团队利用这一现象一次性创建开关，为不使用半导体的逻辑门的开发铺平了道路。
这些设备由铜掺杂聚合物制成的薄3D打印轨迹组成，交叉的导电区域允许它们通过施加于开关的电压控制电阻。
尽管这些设备的效率不及基于硅的晶体管，但它们适用于更简单的任务，如开关电动机。实验表明，它们在4000次开关循环后仍然保持功能，没有任何磨损迹象。
然而，开关的尺寸受到挤出打印和材料特性物理的限制。研究人员可以制造几百微米大小的设备，而尖端晶体管的宽度可以仅为几个纳米。
“许多工程场景并不需要最先进的芯片。最终，功能才是关键，”他说。“这项技术能够满足这些情况的特定需求。”
此外，与传统的半导体制造不同，团队的方法利用可生物降解的材料，消耗更少的能量，并产生更少的废物。聚合物还可以通过添加各种材料，如磁性微粒，来提供更多的功能。
展望未来，团队希望利用这一技术制造完全功能的电子产品。他们期望仅使用挤出3D打印来生产可工作的磁电机，并完善技术以创造更复杂的电路。
这项研究得到了Empiriko Corporation的部分资助。
