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全3D打印技術(shù)+可降解功能,無需半導(dǎo)體材料的電子器件問世 2024-10-25

美國麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)在電子制造領(lǐng)域取得一項(xiàng)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(dǎo)體材料的有源電子設(shè)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,為將來的電子制造開辟了新途徑。

團(tuán)隊(duì)使用普通的3D打印機(jī)和成本低廉、可生物降解的材料,打印了這些無半導(dǎo)體器件。雖然這些器件性能還不足以與傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管相比,但它們已能執(zhí)行一些基本的控制任務(wù),比如調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的速度。這項(xiàng)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(duì)環(huán)境的影響。

實(shí)驗(yàn)過程中,團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)摻雜銅納米顆粒的聚合物細(xì)絲具有一種特別的現(xiàn)象:當(dāng)通過大電流時(shí),材料會(huì)表現(xiàn)出顯著的電阻增加;而一旦停止供電,其電阻又迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種特性使該材料可被用作開關(guān)元件,類似于半導(dǎo)體中的晶體管。團(tuán)隊(duì)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(xì)絲,但只有含銅納米顆粒的細(xì)絲展現(xiàn)出了自復(fù)位能力。

基于這種現(xiàn)象,團(tuán)隊(duì)認(rèn)為,電流導(dǎo)致的熱效應(yīng)或使銅粒子擴(kuò)散開來,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(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)再轉(zhuǎn)回的過程,也可能對(duì)電阻的變化有所貢獻(xiàn)。

利用這一原理,團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種新型邏輯門,它由銅摻雜聚合物制成的細(xì)絲構(gòu)成,可以通過調(diào)整輸入電壓來控制電阻變化。

此外,向聚合物細(xì)絲中添加其他功能性微粒,還可實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜多樣的應(yīng)用。

這一成果展示了未來小型企業(yè)自主生產(chǎn)簡(jiǎn)單智能硬件的可能性。

邏輯門是數(shù)字邏輯電路基本單元,“或”“與”“非”“或非”“與非”,任何復(fù)雜的邏輯電路都可由這些邏輯門組成。晶體管可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的開關(guān)控制,通過不同電路配置,實(shí)現(xiàn)多個(gè)邏輯門功能。此次,科研團(tuán)隊(duì)成功利用3D打印技術(shù),制作出了不需要半導(dǎo)體材料的有源電子設(shè)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(xì)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”。


來源:電子工程世界



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