Исследователи Массачусетского технологического института добились прорыва в области активной электроники, полностью напечатанной на 3D-принтере

Полупроводники, включая кремний, представляют собой материалы с электрическими свойствами, которые можно изменить путем добавления определенных примесей. Кремниевое устройство может иметь проводящие и изолирующие области, в зависимости от того, как оно спроектировано. Эти свойства делают кремний идеальным для производства транзисторов, которые являются основным строительным блоком современной электроники. Однако исследователи не собирались печатать на 3D-принтере устройства без полупроводников, которые могли бы вести себя как кремниевые транзисторы.

Этот проект вырос из другого, в котором они изготавливали магнитные катушки с помощью экструзионной печати — процесса, при котором принтер плавит нить и распыляет материал через сопло, изготавливая объект слой за слоем. Они увидели интересное явление в материале, который использовали:полимерной нити, легированной наночастицами меди. Если бы они пропустили в материал большое количество электрического тока, сопротивление резко возросло бы, но оно вернулось бы к исходному уровню вскоре после прекращения прохождения тока.

Это свойство позволяет инженерам создавать транзисторы, которые могут работать как переключатели, что обычно ассоциируется только с кремнием и другими полупроводниками. Транзисторы, которые включаются и выключаются для обработки двоичных данных, используются для формирования логических элементов, выполняющих вычисления.

Исследователи попытались воспроизвести то же явление с другими нитями для 3D-печати, тестируя полимеры, легированные углеродом, углеродные нанотрубки и графен. В конце концов, им не удалось найти другой материал для печати, который мог бы функционировать как самовосстанавливающийся предохранитель.

Они предполагают, что частицы меди в материале распространяются, когда он нагревается электрическим током, что вызывает всплеск сопротивления, который снижается, когда материал охлаждается, и частицы меди сближаются. Они также считают, что полимерная основа материала изменяется из кристаллической в аморфную при нагревании, а затем возвращается в кристаллическую при охлаждении — явление, известное как полимерный положительный температурный коэффициент.

"На данный момент это наше лучшее объяснение, но это не полный ответ, потому что оно не объясняет, почему это произошло только в этой комбинации материалов. Нам нужно провести дополнительные исследования, но нет никаких сомнений в том, что это явление реально", - сказал он.

Команда использовала это явление для печати переключателей за один шаг, которые можно было бы использовать для формирования логических элементов без полупроводников. Устройства изготовлены из тонких, напечатанных на 3D-принтере следов полимера, легированного медью. Они содержат пересекающиеся проводящие области, которые позволяют исследователям регулировать сопротивление, контролируя напряжение, подаваемое на переключатель.

Хотя эти устройства не работали так же хорошо, как кремниевые транзисторы, их можно было использовать для более простых функций управления и обработки, таких как включение и выключение двигателя. Их эксперименты показали, что даже после 4000 циклов переключения устройства не показали признаков износа.

Но существуют пределы того, насколько маленькими могут быть переключатели, основанные на физике экструзионной печати и свойствах материала. Они могли печатать устройства размером в несколько сотен микрон, но транзисторы в современной электронике имеют диаметр всего несколько нанометров.

"Реальность такова, что существует множество инженерных ситуаций, которые не требуют лучших чипов. В конце концов, все, что вас волнует, это то, сможет ли ваше устройство выполнить задачу. Эта технология способна удовлетворить подобные ограничения", - сказал он.

Однако, в отличие от производства полупроводников, в их технологии используется биоразлагаемый материал, процесс требует меньше энергии и производит меньше отходов. Полимерную нить также можно легировать другими материалами, например магнитными микрочастицами, что может обеспечить дополнительные функциональные возможности.

В будущем исследователи хотят использовать эту технологию для печати полнофункциональной электроники. Они стремятся изготовить работающий магнитный двигатель, используя только экструзионную 3D-печать. Они также хотят усовершенствовать процесс, чтобы можно было создавать более сложные схемы и посмотреть, насколько далеко они смогут повысить производительность этих устройств.

"Эта статья демонстрирует, что активные электронные устройства могут быть изготовлены с использованием экструдированных полимерных проводящих материалов. Эта технология позволяет встраивать электронику в 3D-печатные структуры. Интригующим применением является 3D-печать мехатроники по требованию на борту космических кораблей", - сказал Роджер Хоу, почетный профессор инженерных наук Уильяма Э. Айера в Стэнфордском университете, который не участвовал в этой работе.

Источник