MIT新突破：無需半導體也能3D打印“晶體管”

來源：MIT News | 圖片說明：3D 打印設備寬度僅爲 10 毫米，表面呈現明顯的粘稠質感。兩張熱成像圖展示了設備能夠承受的溫度變化。設備由銅摻雜的聚合物薄層通過 3D 打印製成，內部交叉的導電區域使研究人員可以通過控制輸入的電壓來調節電阻。

主動電子設備——能夠控制電信號的組件——通常由半導體器件組成，用於接收、存儲和處理信息。這些器件需要在無塵室中製造，且依賴高度複雜的製造技術，這些技術只在少數專業製造中心才具備。

在新冠疫情期間，全球半導體制造能力不足導致電子產品短缺，推高了消費者的購買成本，並影響了從經濟增長到國家安全等多個領域。如果能通過 3D 打印技術，製造出不依賴半導體的完整主動電子設備，電子設備的製造將可以拓展至全球各地的企業、實驗室，甚至是家庭。

雖然這個目標仍需時日，但 MIT 的研究人員已經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 打印製造的可復位保險絲，這種保險絲是主動電子設備中的關鍵部件，通常需要半導體才能實現。

研究人員利用標準的 3D 打印設備和一種廉價、可生物降解的材料，製造出了無需半導體的設備。該設備能夠執行類似於傳統半導體晶體管的開關功能，而晶體管是主動電子設備中用於處理操作的核心元件。

儘管這些 3D 打印設備的性能暫時還無法與半導體晶體管相比，但它們已經可以用於一些基本的控制操作，比如調節電動機的速度。

“這項技術前景廣闊。雖然我們無法與硅作爲半導體的性能競爭，但我們的目標並不是取代現有的技術，而是推動 3D 打印技術進入新的領域。簡而言之，這項技術的核心是讓科技更加大衆化。它可以讓任何人，無論他們身處何地，都能夠製造智能硬件，”MIT 微系統技術實驗室（MTL）的首席研究科學家 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 電氣工程和計算機科學系的研究生 Jorge Cañada。

意外發現

包括硅在內的半導體材料，其電學性質可以通過添加特定雜質進行調整，從而在同一器件上實現導電區和絕緣區的轉換。正是這種特性使得硅成爲製造晶體管的理想材料，而晶體管是現代電子設備的基礎構件。

然而，研究團隊最初並沒有打算 3D 打印出類似硅基晶體管的無半導體器件。

這個項目最早源自他們正在進行的另一個研究項目，當時他們使用擠出打印技術製造磁性線圈。擠出打印是通過熔化線材，隨後通過噴嘴逐層打印材料來構建物體的技術。

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象。

當他們向這種材料施加大電流時，材料的電阻會急劇上升，但電流停止後，電阻又會迅速恢復到原來的水平。

這一特性使得工程師能夠製造類似晶體管的開關，而晶體管通常與硅等半導體材料相關。晶體管通過開關操作處理二進制數據，從而構建用於計算的邏輯門。

“我們發現這一現象對推動 3D 打印技術具有巨大潛力。它爲電子設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。

研究團隊還嘗試用其他 3D 打印材料復現這一現象，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現這種可復位保險絲功能的可打印材料。

研究人員推測，當這種材料被電流加熱時，內部的銅顆粒會分散開，從而導致電阻急劇上升；當材料冷卻後，銅顆粒再次聚集，電阻恢復。他們還認爲，聚合物基材在加熱時從結晶態轉變爲非晶態，冷卻後又重新結晶，這種現象被稱爲聚合物正溫度係數效應。

“目前，這是我們最合理的解釋，但仍不足以完全說明爲什麼這種現象只出現在這種特定的材料組合中。我們需要進一步研究，但可以確定的是，這一現象是真實存在的，”他說。

3D 打印主動電子設備

研究團隊利用這一現象，成功實現了一步打印出可用於構建無半導體邏輯門的開關。

這些設備由細薄的摻銅聚合物 3D 打印線條構成，內部交叉的導電區域使研究人員能夠通過控制輸入電壓來調節電阻。

雖然這些設備的性能不及硅基晶體管，但它們已經可以用於簡單的控制和處理功能，比如控制電動機的啓停。實驗顯示，即使經過 4000 次的開關循環，這些設備依然保持完好，沒有出現任何退化的跡象。

不過，擠出打印技術和材料本身的物理特性限制了研究團隊能將這些開關做得多小。他們當前可以打印出幾百微米大小的設備，但最先進的電子設備中的晶體管直徑僅爲幾納米。

“實際上，很多工程應用並不需要最頂尖的芯片。最終你只關心設備能否完成任務，而這項技術能夠滿足這樣的需求，”他說。

與半導體制造不同，研究團隊的技術採用了可生物降解的材料，並且製造過程能耗更低、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，從而賦予設備更多功能。

未來，研究團隊希望利用這項技術打印出功能齊全的電子設備。他們的目標是通過擠出 3D 打印技術製造出一個完全工作的磁動機。此外，他們還計劃進一步優化工藝，製造更加複雜的電路，並探索這些設備的性能極限。

“這篇論文展示瞭如何使用擠出成型的聚合物導電材料製造主動電子設備。這項技術可以將電子元件嵌入 3D 打印結構中。一個有趣的應用場景是利用這項技術在航天器上按需 3D 打印機電一體化設備，”斯坦福大學工程學院榮休教授 Roger Howe 表示，他並未參與此項研究。

該研究部分由 Empiriko Corporation 資助。

https://news.mit.edu/2024/mit-team-takes-major-step-toward-fully-3d-printed-active-electronics-1015