MIT新突破：无需半导体也能3D打印“晶体管”

来源：MIT News | 图片说明：3D 打印设备宽度仅为 10 毫米，表面呈现明显的粘稠质感。两张热成像图展示了设备能够承受的温度变化。设备由铜掺杂的聚合物薄层通过 3D 打印制成，内部交叉的导电区域使研究人员可以通过控制输入的电压来调节电阻。

主动电子设备——能够控制电信号的组件——通常由半导体器件组成，用于接收、存储和处理信息。这些器件需要在无尘室中制造，且依赖高度复杂的制造技术，这些技术只在少数专业制造中心才具备。

在新冠疫情期间，全球半导体制造能力不足导致电子产品短缺，推高了消费者的购买成本，并影响了从经济增长到国家安全等多个领域。如果能通过 3D 打印技术，制造出不依赖半导体的完整主动电子设备，电子设备的制造将可以拓展至全球各地的企业、实验室，甚至是家庭。

虽然这个目标仍需时日，但 MIT 的研究人员已经向这个方向迈出了重要的一步。他们成功展示了一种完全通过 3D 打印制造的可复位保险丝，这种保险丝是主动电子设备中的关键部件，通常需要半导体才能实现。

研究人员利用标准的 3D 打印设备和一种廉价、可生物降解的材料，制造出了无需半导体的设备。该设备能够执行类似于传统半导体晶体管的开关功能，而晶体管是主动电子设备中用于处理操作的核心元件。

尽管这些 3D 打印设备的性能暂时还无法与半导体晶体管相比，但它们已经可以用于一些基本的控制操作，比如调节电动机的速度。

“这项技术前景广阔。虽然我们无法与硅作为半导体的性能竞争，但我们的目标并不是取代现有的技术，而是推动 3D 打印技术进入新的领域。简而言之，这项技术的核心是让科技更加大众化。它可以让任何人，无论他们身处何地，都能够制造智能硬件，”MIT 微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家 Luis Fernando Velásquez-García 表示。他是该研究论文的资深作者，这篇论文已发表在《虚拟与物理原型》期刊上。

这篇论文的第一作者是 MIT 电气工程和计算机科学系的研究生 Jorge Cañada。

意外发现

包括硅在内的半导体材料，其电学性质可以通过添加特定杂质进行调整，从而在同一器件上实现导电区和绝缘区的转换。正是这种特性使得硅成为制造晶体管的理想材料，而晶体管是现代电子设备的基础构件。

然而，研究团队最初并没有打算 3D 打印出类似硅基晶体管的无半导体器件。

这个项目最早源自他们正在进行的另一个研究项目，当时他们使用挤出打印技术制造磁性线圈。挤出打印是通过熔化线材，随后通过喷嘴逐层打印材料来构建物体的技术。

在他们使用的一种掺铜纳米颗粒的聚合物材料中，意外地观察到了一种特殊现象。

当他们向这种材料施加大电流时，材料的电阻会急剧上升，但电流停止后，电阻又会迅速恢复到原来的水平。

这一特性使得工程师能够制造类似晶体管的开关，而晶体管通常与硅等半导体材料相关。晶体管通过开关操作处理二进制数据，从而构建用于计算的逻辑门。

“我们发现这一现象对推动 3D 打印技术具有巨大潜力。它为电子设备提供了一种简单而有效的方式，使其具备一定程度的‘智能’功能，”Velásquez-García 说道。

研究团队还尝试用其他 3D 打印材料复现这一现象，比如掺杂碳、碳纳米管和石墨烯的聚合物材料，但最终未能找到另一种可以实现这种可复位保险丝功能的可打印材料。

研究人员推测，当这种材料被电流加热时，内部的铜颗粒会分散开，从而导致电阻急剧上升；当材料冷却后，铜颗粒再次聚集，电阻恢复。他们还认为，聚合物基材在加热时从结晶态转变为非晶态，冷却后又重新结晶，这种现象被称为聚合物正温度系数效应。

“目前，这是我们最合理的解释，但仍不足以完全说明为什么这种现象只出现在这种特定的材料组合中。我们需要进一步研究，但可以确定的是，这一现象是真实存在的，”他说。

3D 打印主动电子设备

研究团队利用这一现象，成功实现了一步打印出可用于构建无半导体逻辑门的开关。

这些设备由细薄的掺铜聚合物 3D 打印线条构成，内部交叉的导电区域使研究人员能够通过控制输入电压来调节电阻。

虽然这些设备的性能不及硅基晶体管，但它们已经可以用于简单的控制和处理功能，比如控制电动机的启停。实验显示，即使经过 4000 次的开关循环，这些设备依然保持完好，没有出现任何退化的迹象。

不过，挤出打印技术和材料本身的物理特性限制了研究团队能将这些开关做得多小。他们当前可以打印出几百微米大小的设备，但最先进的电子设备中的晶体管直径仅为几纳米。

“实际上，很多工程应用并不需要最顶尖的芯片。最终你只关心设备能否完成任务，而这项技术能够满足这样的需求，”他说。

与半导体制造不同，研究团队的技术采用了可生物降解的材料，并且制造过程能耗更低、废物更少。此外，这种聚合物线材还可以掺入其他材料，例如磁性微粒，从而赋予设备更多功能。

未来，研究团队希望利用这项技术打印出功能齐全的电子设备。他们的目标是通过挤出 3D 打印技术制造出一个完全工作的磁动机。此外，他们还计划进一步优化工艺，制造更加复杂的电路，并探索这些设备的性能极限。

“这篇论文展示了如何使用挤出成型的聚合物导电材料制造主动电子设备。这项技术可以将电子元件嵌入 3D 打印结构中。一个有趣的应用场景是利用这项技术在航天器上按需 3D 打印机电一体化设备，”斯坦福大学工程学院荣休教授 Roger Howe 表示，他并未参与此项研究。

该研究部分由 Empiriko Corporation 资助。

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