全3D打印铜纳米颗粒聚合细丝 无需半导体材料的电子器件有望开辟新领域

麻省理工学院（MIT）的研究人员在有源电子产品制造领域取得了突破性进展，利用3D打印技术显著推进了可控制电信号的电子元件的生产。这一成果为全球的企业、实验室和家庭提供了新的可能性，使它们能够利用3D打印技术制造智能硬件，而无需依赖传统的制造中心。 逻辑门是数字逻辑电路的基本单元，“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”。

在该项目中，研究人员成功展示了完全3D打印的可复位保险丝，这是有源电子设备中通常需要半导体的关键部件。该研究展示了使用标准3D打印硬件和廉价可生物降解材料制作的无半导体设备，能够执行与传统基于半导体的晶体管相同的开关功能。 这项技术的性能虽然暂时无法与硅半导体相媲美，但在调节电动机速度等基本控制操作方面已展现出潜力。研究的主要作者、MIT微系统技术实验室首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García指出，这项技术并非旨在取代现有技术，而是将3D打印技术推向新的应用领域，实现技术的民主化。 研究人员最初并非旨在通过3D打印技术制造出能够像硅基晶体管一样工作的无半导体设备。他们的研究源于另一个项目，使用挤压打印技术制造磁线圈。在这一过程中，他们发现了一种有趣的材料特性：掺杂了铜纳米颗粒的聚合物细丝。这种材料在通入大量电流时，电阻会急剧上升，但在电流停止后不久又会恢复到原始水平。这一现象引起了工程师们的兴趣，因为它可以被用来制造开关。 该团队利用这一现象，在单一步骤中成功打印出可用于形成无半导体逻辑门的开关。这些开关由掺杂铜的聚合物制成的薄3D打印线组成，并包含相交的导电区域。这使得研究人员能够通过控制输入开关的电压来调节电阻。实验表明，即使经过4千次开关循环，这些器件也未出现任何性能下降。 由于挤压打印的物理原理和材料特性，研究人员目前能够制造的开关体积有限。他们可以打印出几百微米的设备，但最先进的电子产品中的晶体管直径只有几纳米。不过，与传统半导体制造不同，他们的技术使用可生物降解的材料，且过程能耗更低，产生的废物也更少。此外，聚合物细丝还可以掺杂其他材料，如磁性颗粒，以实现额外功能。 未来，MIT的研究人员计划利用这项技术打印出功能齐全的电子产品，并希望仅使用挤压式3D打印技术制造出一台可以正常工作的磁力马达。他们还计划对这一过程进行微调，以构建更复杂的电路，并探索这些设备性能的极限。这一进展为3D打印开启无半导体电子设备新时代，为电子制造领域开辟了新途径。