Исследователи MIT достигли прорыва в полностью 3D-печатаемой активной электронике

Electronics & Sensors INSIDER

Устройства изготовлены из тонких 3D-печатных следов медного полимера. Они содержат пересекающиеся проводящие области, позволяющие исследователям регулировать сопротивление путем управления напряжением, подаваемым на переключатель. (Изображение: предоставлено исследователями)

Проблема традиционной активной электроники

Активная электроника — компоненты, способные управлять электрическими сигналами — обычно содержат полупроводниковые приборы, которые принимают, хранят и обрабатывают информацию. Эти компоненты, которые должны изготавливаться в чистых комнатах, требуют передовых технологий фабрикации, недоступных за пределами нескольких специализированных производственных центров.

Во время пандемии COVID-19 отсутствие широкой сети полупроводниковых фабрикаций стало одной из причин мирового дефицита электроники, что повысило цены для потребителей и имело последствия для всего: от экономического роста до национальной обороны. Способность 3D-печатать целое активное электронное устройство без полупроводников могла бы принести фабрикацию электроники в бизнес, лаборатории и дома по всему миру.

Шаг к демократизации технологий

Хотя эта идея еще далека, исследователи MIT сделали важный шаг в этом направлении, продемонстрировав полностью 3D-печатные самовосстанавливающиеся предохранители (resettable fuses) — ключевые компоненты активной электроники, которые обычно требуют полупроводников.

Полупроводниковые свободные устройства исследователей, изготовленные с использованием стандартного 3D-печатного оборудования и недорогого биоразлагаемого материала, могут выполнять те же коммутационные функции, что и полупроводниковые транзисторы, используемые для операций обработки в активной электронике.

Хотя они еще далеки от производительности полупроводниковых транзисторов, 3D-печатные устройства могут использоваться для базовых операций управления, таких как регулировка скорости электродвигателя.

«Эта технология имеет реальные перспективы. Хотя мы не можем конкурировать с кремнием как полупроводником, наша идея не в том, чтобы обязательно заменять существующее, а в том, чтобы протолкнуть 3D-печать в неисследованную территорию. В двух словах, это действительно о демократизации технологий. Это может позволить любому создавать умное железо далеко от традиционных производственных центров», — сказал Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник лаборатории микросистемных технологий (MTL) MIT и старший автор статьи, опубликованной в Virtual and Physical Prototyping. Соавтором является Хорхе Каньяда, аспирант по электротехнике и информатике.

Принцип действия: медный полимер

Полупроводники, включая кремний, — материалы с электрическими свойствами, которые можно настраивать добавлением примесей. Кремниевый прибор может иметь проводящие и изолирующие области в зависимости от проектирования. Эти свойства делают кремний идеальным для производства транзисторов — базового блока современной электроники. Однако исследователи не ставили целью 3D-печатать полупроводниковые свободные устройства, ведущие себя как кремниевые транзисторы.

Проект вырос из другого, в котором они изготавливали магнитные катушки методом экструзионной печати, где принтер плавит филамент и выдавливает материал через сопло, создавая объект слой за слоем. Они заметили интересное явление в используемом материале — полимерном филаменте, легированном наночастицами меди. Если пропустить через материал большой электрический ток, он демонстрирует огромный скачок сопротивления, но возвращается к исходному уровню вскоре после прекращения тока.

Это свойство позволяет инженерам создавать транзисторы, работающие как переключатели — то, что обычно ассоциируется только с кремнием и другими полупроводниками. Транзисторы, включающиеся и выключающиеся для обработки бинарных данных, используются для формирования логических вентилей, выполняющих вычисления.

Исследователи пытались воспроизвести то же явление с другими 3D-печатными филаментами, тестируя полимеры, легированные углеродом, углеродными нанотрубками и графеном. В итоге они не нашли другой печатаемый материал, способный функционировать как самовосстанавливающийся предохранитель.

Они гипотезируют, что медные частицы в материале расходятся при нагреве электрическим током, вызывая скачок сопротивления, который спадает, когда материал остывает и частицы сближаются. Также считают, что полимерная база меняется из кристаллического в аморфное состояние при нагреве и возвращается в кристаллическое при охлаждении — явление, известное как полимерный положительный температурный коэффициент.

«Пока это наше лучшее объяснение, но это не полный ответ, потому что это не объясняет, почему это происходило только в этом сочетании материалов. Нам нужно больше исследований, но нет сомнений, что это явление реально», — сказал он.

От переключателей к логическим вентилям

Команда использовала явление для печати переключателей в один шаг, которые могли использоваться для формирования полупроводниковых свободных логических вентилей. Устройства изготавливаются из тонких 3D-печатных следов медного полимера. Они содержат пересекающиеся проводящие области, позволяющие регулировать сопротивление путем управления напряжением на переключателе.

Хотя устройства не показали производительность, сравнимую с кремниевыми транзисторами, они могут использоваться для более простых функций управления и обработки, таких как включение и выключение двигателя. Эксперименты показали, что даже после 4000 циклов переключения устройства не показывали признаков деградации.

Но есть пределы миниатюризации переключателей, основанные на физике экструзионной печати и свойствах материала. Они смогли печатать устройства размером в несколько сотен микрон, в то время как транзисторы в передовых электрониках имеют размеры в несколько нанометров.

«Реальность такова, что существует множество инженерных ситуаций, не требующих лучших чипов. В конце концов, все, что вам важно — может ли ваше устройство выполнить задачу. Эта технология способна удовлетворить такое ограничение», — сказал он.

Экологические и функциональные преимущества

В отличие от полупроводниковой фабрикации, их техника использует биоразлагаемый материал, процесс потребляет меньше энергии и производит меньше отходов. Полимерный филамент также может быть легирован другими материалами, например магнитными микропartikelами, что может открыть дополнительные функциональности.

В будущем исследователи хотят использовать эту технологию для печати полностью функциональной электроники. Они стремятся изготовить работающий магнитный двигатель, используя только экструзионную 3D-печать. Также хотят отточить процесс, чтобы строить более сложные цепи и посмотреть, до каких пределов можно протолкнуть производительность этих устройств.

«Эта работа демонстрирует, что активные электронные устройства могут быть изготовлены из экструдированных полимерных проводящих материалов. Эта технология позволяет встраивать электронику в 3D-печатные структуры. Интригующее применение — по запросу 3D-печать мехатроники на борту космических аппаратов», — сказал Роджер Хау, профессор эмергус Стэнфордского университета, не участвовавший в работе.

Источник