3D打印晶体管或将彻底改变电子制造业

来自 实验室仪器网

理工学院的研究人员展示了完全3D打印的可复位保险丝，这是通常依赖半导体的有源电子设备中必不可少的元件。然而，这一概念的实际应用仍然遥遥无期。这项研究发表在《虚拟与物理原型》杂志上。

接收、存储和处理信息的半导体器件通常存在于有源电子设备中，用于调节电脉冲。这些组件需要洁净室环境和先进的制造技术，因此只能在专门的制造设施中生产。

新冠疫情期间，全球电子产品短缺的部分原因是半导体制造规模不足，导致消费价格上涨，影响国家安全和经济增长。如果不再需要半导体，3D打印功能齐全的电子设备将成为可能，让全球家庭、企业和实验室都能生产电子产品。

研究人员展示了非半导体器件，它们能够执行与有源电子器件中使用的半导体晶体管类似的开关任务。这些器件是使用标准3D打印技术和低成本、可生物降解的材料制成的。虽然这些3D打印电子产品的复杂程度还无法与半导体晶体管相比，但它们可以应用于基本控制功能，例如调节电动机的速度。

某些杂质可以添加到半导体中，例如硅，以改变其电气特性。这使得硅器件既有导电区域，又有绝缘区域，使硅成为制造晶体管的理想材料，而晶体管是现代电子产品的关键元件。

然而，研究人员的目标并不是在3D打印的无半导体设备中复制硅基晶体管的功能。相反，这个项目是从他们之前的一个项目演变而来的，当时他们使用挤压打印技术（一种熔化细丝并通过喷嘴逐层挤出材料的方法）来创建磁线圈。

在使用混合了铜纳米颗粒的聚合物细丝时，研究团队观察到了一种值得注意的行为：当施加高电流时，材料的电阻会急剧上升，但一旦电流停止，电阻会迅速恢复到原来的水平。这种特性通常存在于硅和其他半导体中，使研究团队能够设计出能够切换的晶体管。晶体管是逻辑门的基础，逻辑门执行计算所必需的二进制计算。

研究人员发现这可以帮助将3D打印硬件提升到一个新的水平。它提供了一种明确的方法，使电子设备具有一定程度的智能。尝试使用碳掺杂聚合物、碳纳米管和石墨烯在各种3D打印细丝中复制同样的效果。然而，他们无法找到另一种可以用作自恢复保险丝的可打印材料。

理论表明，当材料被电流加热时，​​铜粒子会分散，导致电阻激增。当材料冷却时，铜粒子会重新聚集在一起，电阻会降低。此外，他们认为材料的聚合物基体会经历一种称为聚合物正温度系数的转变。这一过程导致聚合物在加热时变成晶体，在冷却时恢复到无定形状态。

研究人员利用这种效应制作出3D打印开关，只需一步便可创建无需半导体的逻辑门。

这些设备采用3D打印的薄铜掺杂聚合物线制成。通过调节施加到开关上的电压，研究人员能够通过材料中相交的导电区改变电阻。

虽然这些器件的性能不如硅基晶体管，但它们可以用于基本的控制和处理任务，例如打开和关闭电机。测试表明，这些器件在4,000次开关循环后仍能正常工作，没有任何性能下降的迹象。

然而，这种方法也有局限性。由于挤压打印的物理特性和材料特性，研究人员只能打印出几百微米大小的开关，而现代电子晶体管的直径只有几纳米。

“现实情况是，许多工程情况并不需要最好的芯片。归根结底，你关心的只是你的设备是否能完成任务。这项技术能够满足这样的约束，”他说。

他们的方法采用了一种可生物降解的材料，与传统的半导体制造相比，这种材料消耗的能量更少，产生的废物也更少。这种方法还提供了将磁性微粒等其他材料整合到聚合物细丝中以实现附加功能的可能性。

展望未来，研究人员的目标是利用这种方法3D打印出功能齐全的设备，目标是仅通过挤压打印制造出磁力马达。他们还计划改进该工艺以开发更复杂的电路，并探索这些设备功能的极限。

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