近日，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《Virtual and Physical Prototyping》杂志上，为将来的电子制造开辟了新途径。

 

团队使用普通的3D打印机和成本低廉、可生物降解的材料——聚乳酸（PLA），打印了这些无半导体器件。

 

用于制造本研究探讨的设备的关键 3D 打印参数摘要

 

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PLA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PLA细丝，但只有含铜纳米颗粒的细丝展现出了自复位能力。

 

（a）：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。（b）：施加变化电流时，图a中显示的3D打印电路不同部分的电阻随时间的变化。

 

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PLA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”。

 

https://doi.org/10.1080/17452759.2024.2404157