全3D打印技術(shù)+可降解功能，無(wú)需半導體材料的電子器件問(wèn)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(jìn)展：他們利用全3D打印技術(shù)，制作出了不需要半導體材料的有源電子設備器件。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(lái)的電子制造開(kāi)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(wú)半導體器件。雖然這些器件性能還不足以與傳統半導體晶體管相比，但它們已能執行一些基本的控制任務(wù)，比如調節電動(dòng)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(shí)驗過(guò)程中，團隊發(fā)現摻雜銅納米顆粒的聚合物細絲具有一種特別的現象：當通過(guò)大電流時(shí)，材料會(huì )表現出顯著(zhù)的電阻增加；而一旦停止供電，其電阻又迅速恢復到初始狀態(tài)。這種特性使該材料可被用作開(kāi)關(guān)元件，類(lèi)似于半導體中的晶體管。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出了自復位能力。
基于這種現象，團隊認為，電流導致的熱效應或使銅粒子擴散開(kāi)來(lái)，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)從結晶態(tài)轉變?yōu)榉蔷B(tài)再轉回的過(guò)程，也可能對電阻的變化有所貢獻。
利用這一原理，團隊開(kāi)發(fā)出一種新型邏輯門(mén)，它由銅摻雜聚合物制成的細絲構成，可以通過(guò)調整輸入電壓來(lái)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(shí)現更加復雜多樣的應用。
這一成果展示了未來(lái)小型企業(yè)自主生產(chǎn)簡(jiǎn)單智能硬件的可能性。
邏輯門(mén)是數字邏輯電路基本單元，“或”“與”“非”“或非”“與非”，任何復雜的邏輯電路都可由這些邏輯門(mén)組成。晶體管可以實(shí)現對輸出電流的開(kāi)關(guān)控制，通過(guò)不同電路配置，實(shí)現多個(gè)邏輯門(mén)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體材料的有源電子設備組件。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(lái)源：電子工程世界