MIT研究人员实现全3D打印有源电子器件突破

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器件由薄薄的3D打印铜掺杂聚合物痕迹制成。它们包含相交的导电区域，使研究人员能通过控制输入开关的电压来调节电阻。（图片来源：研究人员提供）

背景：半导体制造的瓶颈

有源电子元件——能控制电信号的组件——通常包含接收、存储和处理信息的半导体器件。这些组件必须在洁净室制造，需要先进制造技术，仅少数专业制造中心具备此能力。

新冠疫情期间，半导体制造设施的广泛短缺导致全球电子产品短缺，推高消费者成本，影响从经济增长到国防的各个领域。无需半导体即可3D打印完整有源电子器件的能力，可将电子制造带入全球企业、实验室和家庭。

关键突破：全3D打印可复位保险丝

虽然这个想法仍遥远，但MIT研究人员已朝此方向迈出重要一步，演示了全3D打印可复位保险丝——这是通常需要半导体的有源电子关键组件。

研究人员利用标准3D打印硬件和廉价可降解材料制造的无半导体器件，能执行与有源电子器件处理操作中使用的基于半导体晶体管相同的开关功能。

尽管距半导体晶体管性能仍有差距，但这些3D打印器件可用于基本控制操作，如调节电机转速。

"这项技术大有可为。虽然我们无法与硅半导体竞争，但我们的初衷不一定是取代现有技术，而是将3D打印技术推向未知领域。简而言之，这关乎技术民主化。这能让任何人远离传统制造中心创建智能硬件。"——Luis Fernando Velásquez-García，MIT微系统技术实验室首席研究科学家、论文资深作者

从磁线圈到意外发现

半导体（包括硅）是通过添加特定杂质可调整电学性质的材料。硅器件可根据工程设计呈现导电和绝缘区域。这些特性使硅成为制造晶体管（现代电子学基本构件）的理想材料。然而，研究人员最初并未设定要3D打印表现如硅基晶体管的无半导体器件。

该项目源于另一个使用挤出打印制造磁线圈的项目——打印机熔化丝材并通过喷嘴挤出材料，逐层制造物体。他们在使用的材料（掺铜纳米颗粒聚合物丝材）中发现有趣现象：通入大电流时，材料电阻大幅飙升，电流停止后迅速恢复原值。

这一特性使工程师能制造作为开关工作的晶体管，这通常仅与硅等半导体相关。晶体管通过开关处理二进制数据，可形成执行计算的逻辑门。

材料筛选与机制假设

研究人员尝试用其他3D打印丝材复现该现象，测试掺碳、碳纳米管和石墨烯的聚合物。最终未发现其他可打印材料能作为可复位保险丝工作。

他们假设：电流加热导致铜颗粒分散，电阻飙升；材料冷却后铜颗粒重新靠近，电阻恢复。同时聚合物基体受热从结晶态转为非晶态，冷却后恢复结晶——即聚合物正温度系数现象。

"目前这是我们最好的解释，但不是完整答案，因为无法解释为何仅这种材料组合有效。我们需要更多研究，但毫无疑问这种现象是真实的。"——Velásquez-García

器件制造与性能表现

团队利用这一现象单步打印开关，可形成无半导体逻辑门。器件由薄薄的3D打印铜掺杂聚合物痕迹制成，包含相交导电区域，通过控制输入开关电压调节电阻。

虽然器件性能不如硅基晶体管，但可用于简单控制和处理功能，如电机开关控制。实验显示，即使经过4000次开关循环，器件无退化迹象。

局限性与优势

受挤出打印物理特性和材料属性限制，开关微缩尺寸有限。可打印器件尺寸为几百微米，而最先进电子器件的晶体管仅几纳米直径。

"现实是许多工程情况不需要最好的芯片。归根结底，你只关心设备能否完成任务。这项技术能满足此类约束。"——Velásquez-García

与半导体制造不同，该技术使用可降解材料，工艺能耗更低、废弃物更少。聚合物丝材还可掺杂其他材料（如磁性微粒），实现额外功能。

未来展望

研究人员未来希望利用此技术打印全功能电子设备。他们致力于仅用挤出3D打印制造工作磁性电机，并优化工艺构建更复杂电路，探索器件性能极限。

"本文证明了活性电子器件可用挤出聚合导电材料制造。这项技术使电子器件能集成进3D打印结构。一个引人注目的应用是航天器上机电系统的按需3D打印。"——Roger Howe，斯坦福大学工程荣誉教授（未参与该工作）

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