美国麻省理工学院团队在电子制造领域取得一项重要进展:他们利用全3D打印技术,制作出了不需要半导体材料的有源电子设备器件。这一突破性研究发表在新一期《虚拟与物理原型》杂志上,为将来的电子制造开辟了新途径。
横截面积变化的3D打印导电迹线在高电流作用下的行为示例。由多个串联几何图形组成的3D打印电路的光学图像(左),施加10mA(中)和50mA(右)电流时的电路热图像(a)。施加变化电流时,图3a中显示的3D打印电路不同部分的电阻随时间的变化(b)。图片来源:《虚拟和物理原型》
团队使用普通的3D打印机和成本低廉、可生物降解的材料,打印了这些无半导体器件。虽然这些器件性能还不足以与传统半导体晶体管相比,但它们已能执行一些基本的控制任务,比如调节电动机的速度。这项新技术使用的能量较少,产生的废物也更少,不仅降低了生产成本,还减少了对环境的影响。
实验过程中,团队发现掺杂铜纳米颗粒的聚合物细丝具有一种特别的现象:当通过大电流时,材料会表现出显著的电阻增加;而一旦停止供电,其电阻又迅速恢复到初始状态。这种特性使该材料可被用作开关元件,类似于半导体中的晶体管。团队尝试了多种不同掺杂物(包括碳、碳纳米管以及石墨烯)的聚合物细丝,但只有含铜纳米颗粒的细丝展现出了自复位能力。
基于这种现象,团队认为,电流导致的热效应或使铜粒子扩散开来,增加了电阻;而在冷却后,铜粒子重新聚集,电阻随之降低。此外,聚合物基质从结晶态转变为非晶态再转回的过程,也可能对电阻的变化有所贡献。
利用这一原理,团队开发出一种新型逻辑门,它由铜掺杂聚合物制成的细丝构成,可以通过调整输入电压来控制电阻变化。
此外,向聚合物细丝中添加其他功能性微粒,还可实现更加复杂多样的应用。
这一成果展示了未来小型企业自主生产简单智能硬件的可能性。
逻辑门是数字逻辑电路基本单元,“或”“与”“非”“或非”“与非”,任何复杂的逻辑电路都可由这些逻辑门组成。晶体管可以实现对输出电流的开关控制,通过不同电路配置,实现多个逻辑门功能。此次,科研团队成功利用3D打印技术,制作出了不需要半导体材料的有源电子设备组件。虽然性能不足以媲美晶体管,但掺杂铜纳米颗粒的聚合物细丝已经具备基本的控制功能,且这种材料成本低、废物少,或能成为晶体管的“平替”。
关键字:3D打印 半导体材料
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全3D打印技术+可降解功能,无需半导体材料的电子器件问世
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