Эти компоненты требуют чистых помещений и передовых технологий производства, которые доступны только в специализированных центрах. Во время пандемии COVID-19 нехватка полупроводников привела к дефициту электроники и росту цен. Это повлияло на все сферы — от экономики до обороны.

Возможность 3D-печати активных электронных устройств без полупроводников может сделать производство электроники доступным повсеместно.

Исследователи из Массачусетского технологического института сделали важный шаг в создании активной электроники без полупроводников. Они напечатали на 3D-принтере предохранители, которые могут выполнять функции переключения, как транзисторы.

Эти устройства не такие производительные, как полупроводниковые транзисторы, но их можно использовать для базовых операций управления, например, для регулирования скорости вращения электродвигателя.

У новой технологии есть перспективы. Мы не можем конкурировать с кремнием, но и не стремимся заменить существующие устройства. Наша идея — продвинуть 3D-печать в новые области.

Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник Лаборатории микросистемных технологий Массачусетского технологического института (MTL) и старший автор статьи о новых устройствах, говорит, что это позволит людям создавать умное оборудование вдали от традиционных производственных центров.

Вместе с ним над этой работой трудится ведущий автор Хорхе Каньяда, аспирант факультета электротехники и информатики.

Неожиданный проект

Полупроводники, такие как кремний, — это материалы, свойства которых можно менять с помощью примесей. В зависимости от конструкции, кремниевый прибор может проводить или изолировать ток. Благодаря этим свойствам из кремния делают транзисторы — основу современной электроники.

Исследователи не стремились создать 3D-печатные устройства без полупроводников, которые могли бы работать как кремниевые транзисторы.

Этот проект вырос из другого: тогда исследователи изготавливали магнитные катушки с помощью экструзионной печати. В этом процессе принтер расплавляет нить и подает материал через сопло, создавая объект слой за слоем.

Они обратили внимание на полимерную нить с наночастицами меди, которую использовали в работе.

Если пропустить через материал ток, то его сопротивление резко увеличится. После прекращения подачи тока оно вернется к исходному уровню.

Это свойство используют инженеры для создания транзисторов, которые работают как переключатели. Транзисторы обрабатывают двоичные данные и формируют логические вентили для вычислений.

По словам Веласкеса-Гарсии, это поможет вывести аппаратное обеспечение 3D-печати на новый уровень и придаст электронному устройству «умность».

Исследователи пытались воспроизвести тот же феномен с другими материалами для 3D-печати, такими как полимеры, легированные углеродом, углеродные нанотрубки и графен. Но они не смогли найти другой материал для печати, который работал бы как сбрасываемый предохранитель.

Они предполагают, что частицы меди в материале разлетаются при нагревании, из-за чего сопротивление резко увеличивается. Когда материал остывает, частицы меди сближаются, а сопротивление снижается. Также исследователи считают, что полимерная основа материала при нагревании переходит из кристаллического состояния в аморфное, а при охлаждении возвращается в кристаллическое. Это явление известно как полимерный положительный температурный коэффициент.

Веласкеса-Гарсия говорит:

На данный момент это наше лучшее объяснение. Но требуются дополнительные исследования, поскольку пока неясно, почему это произошло только в этой комбинации материалов. Явление реально, сомнений нет.

3D-печать активной электроники

Команда применила специальное явление, чтобы за один шаг напечатать переключатели без полупроводников для создания логических затворов.

Устройства изготовлены из тонких полимерных 3D-печатных трасс с добавлением меди. В них есть пересекающиеся проводящие области, которые позволяют исследователям регулировать сопротивление, управляя напряжением переключателя.

Хотя эти устройства работают не так хорошо, как кремниевые транзисторы, их можно использовать для простых функций управления и обработки данных. Например, они могут включать и выключать двигатель. Эксперименты показали, что после 4 000 циклов переключения устройства не стали работать хуже.

Исследователи не могут сделать переключатели очень маленькими из-за особенностей процесса печати и свойств материала. Они могут напечатать устройства размером в несколько сотен микрон, в то время как транзисторы в современной электронике имеют диаметр всего несколько нанометров.

По словам одного из специалистов, для многих инженерных задач не требуются самые лучшие чипы. Важно лишь, чтобы устройство могло справиться с задачей. Новая технология может удовлетворить подобные ограничения.

В отличие от производства полупроводников, эта технология использует биоразлагаемый материал, потребляет меньше энергии и производит меньше отходов.

Нить полимера можно дополнить другими материалами, например, магнитными микрочастицами, которые расширяют возможности применения. Исследователи хотят использовать эту технологию для печати функциональной электроники, в том числе магнитного двигателя, используя только 3D-печать. Они также работают над улучшением процесса для создания более сложных схем.

Результаты опубликованы в журнале Virtual and Physical Prototyping.