MIT-Forscher erzielen Durchbruch bei vollständig 3D-gedruckter aktiver Elektronik

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Die Geräte bestehen aus dünnen, 3D-gedruckten Spuren des mit Kupfer dotierten Polymers. Sie enthalten sich kreuzende leitende Bereiche, die es den Forschern ermöglichen, den Widerstand durch Steuerung der in den Schalter eingespeisten Spannung zu regulieren. (Bild:Mit freundlicher Genehmigung der Forscher)

Aktive Elektronik – Komponenten, die elektrische Signale steuern können – enthält normalerweise Halbleiterbauelemente, die Informationen empfangen, speichern und verarbeiten. Diese Komponenten, die in einem Reinraum hergestellt werden müssen, erfordern fortschrittliche Fertigungstechnologie, die außerhalb einiger spezialisierter Fertigungszentren nicht allgemein verfügbar ist.

Während der Covid-19-Pandemie war der Mangel an flächendeckenden Halbleiterfertigungsanlagen eine Ursache für einen weltweiten Elektronikmangel, der die Kosten für Verbraucher in die Höhe trieb und Auswirkungen auf alles hatte, vom Wirtschaftswachstum bis zur Landesverteidigung. Die Möglichkeit, ein komplettes, aktives elektronisches Gerät ohne die Notwendigkeit von Halbleitern in 3D zu drucken, könnte die Elektronikfertigung in Unternehmen, Labors und Haushalten auf der ganzen Welt ermöglichen.

Obwohl diese Idee noch in weiter Ferne liegt, haben MIT-Forscher einen wichtigen Schritt in diese Richtung gemacht, indem sie vollständig 3D-gedruckte rücksetzbare Sicherungen demonstriert haben, die Schlüsselkomponenten aktiver Elektronik sind, die normalerweise Halbleiter erfordern.

Die halbleiterfreien Geräte der Forscher, die sie mit Standard-3D-Druckhardware und einem kostengünstigen, biologisch abbaubaren Material hergestellt haben, können die gleichen Schaltfunktionen ausführen wie die halbleiterbasierten Transistoren, die für Verarbeitungsvorgänge in der aktiven Elektronik verwendet werden.

Obwohl die 3D-gedruckten Geräte noch weit davon entfernt sind, die Leistung von Halbleitertransistoren zu erreichen, könnten sie für grundlegende Steuervorgänge wie die Regelung der Drehzahl eines Elektromotors verwendet werden.

„Diese Technologie hat echte Beine. Obwohl wir nicht mit Silizium als Halbleiter konkurrieren können, besteht unsere Idee nicht unbedingt darin, das Vorhandene zu ersetzen, sondern darin, die 3D-Drucktechnologie in unbekanntes Terrain zu treiben. Kurz gesagt geht es hier wirklich um die Demokratisierung der Technologie. Dies könnte es jedem ermöglichen, intelligente Hardware fernab traditioneller Fertigungszentren zu entwickeln“, sagte Luis Fernando Velásquez-García, leitender Forschungswissenschaftler an den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT und leitender Autor eines Artikels, der die Geräte beschreibt, der in erscheint Virtuelles und physisches Prototyping. Er wird bei dem Artikel vom Hauptautor Jorge Cañada unterstützt, einem Doktoranden der Elektrotechnik und Informatik.

Halbleiter, einschließlich Silizium, sind Materialien mit elektrischen Eigenschaften, die durch Zugabe bestimmter Verunreinigungen angepasst werden können. Ein Siliziumgerät kann je nach Konstruktion leitende und isolierende Bereiche haben. Diese Eigenschaften machen Silizium ideal für die Herstellung von Transistoren, die einen Grundbaustein moderner Elektronik darstellen. Allerdings hatten die Forscher nicht vor, halbleiterfreie Geräte in 3D zu drucken, die sich wie siliziumbasierte Transistoren verhalten könnten.

Dieses Projekt ging aus einem anderen Projekt hervor, bei dem sie Magnetspulen mithilfe des Extrusionsdrucks herstellten, einem Verfahren, bei dem der Drucker Filamente schmilzt und Material durch eine Düse spritzt, wodurch ein Objekt Schicht für Schicht hergestellt wird. Sie sahen ein interessantes Phänomen in dem von ihnen verwendeten Material, einem mit Kupfer-Nanopartikeln dotierten Polymerfilament. Wenn sie eine große Menge elektrischen Stroms in das Material leiten würden, würde es einen enormen Widerstandsanstieg aufweisen, aber kurz nach dem Ende des Stromflusses wieder auf sein ursprüngliches Niveau zurückkehren.

Diese Eigenschaft ermöglicht es Ingenieuren, Transistoren herzustellen, die als Schalter fungieren können, was normalerweise nur mit Silizium und anderen Halbleitern in Verbindung gebracht wird. Transistoren, die zur Verarbeitung binärer Daten ein- und ausgeschaltet werden, werden zur Bildung von Logikgattern verwendet, die Berechnungen durchführen.

Die Forscher versuchten, das gleiche Phänomen mit anderen 3D-Druckfilamenten zu reproduzieren, indem sie mit Kohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen dotierte Polymere testeten. Am Ende konnten sie kein anderes druckbares Material finden, das als rücksetzbare Sicherung fungieren könnte.

Sie gehen davon aus, dass sich die Kupferpartikel im Material ausbreiten, wenn es durch den elektrischen Strom erhitzt wird, was zu einem Widerstandsanstieg führt, der wieder abfällt, wenn das Material abkühlt und die Kupferpartikel näher zusammenrücken. Sie glauben auch, dass sich die Polymerbasis des Materials beim Erhitzen von kristallin in amorph verändert und beim Abkühlen wieder kristallin wird – ein Phänomen, das als positiver Polymertemperaturkoeffizient bekannt ist.

„Im Moment ist das unsere beste Erklärung, aber das ist nicht die vollständige Antwort, denn das erklärt nicht, warum es nur bei dieser Materialkombination passiert ist. Wir müssen mehr Forschung betreiben, aber es besteht kein Zweifel, dass dieses Phänomen real ist“, sagte er.

Das Team nutzte das Phänomen, um in einem einzigen Schritt Schalter zu drucken, die zur Bildung halbleiterfreier Logikgatter verwendet werden könnten. Die Geräte bestehen aus dünnen, 3D-gedruckten Spuren des mit Kupfer dotierten Polymers. Sie enthalten sich kreuzende leitende Bereiche, die es den Forschern ermöglichen, den Widerstand durch Steuerung der in den Schalter eingespeisten Spannung zu regulieren.

Obwohl die Geräte nicht so leistungsfähig waren wie Transistoren auf Siliziumbasis, konnten sie für einfachere Steuerungs- und Verarbeitungsfunktionen wie das Ein- und Ausschalten eines Motors verwendet werden. Ihre Experimente zeigten, dass die Geräte selbst nach 4.000 Schaltzyklen keine Anzeichen einer Verschlechterung zeigten.

Aufgrund der Physik des Extrusionsdrucks und der Eigenschaften des Materials sind den Forschern jedoch Grenzen gesetzt, wie klein die Schalter sein können. Sie könnten Geräte mit einer Größe von einigen hundert Mikrometern drucken, aber Transistoren in modernster Elektronik haben nur einen Durchmesser von wenigen Nanometern.

„Die Realität ist, dass es viele technische Situationen gibt, die nicht die besten Chips erfordern. Letztendlich ist es für Sie nur wichtig, ob Ihr Gerät die Aufgabe bewältigen kann. Diese Technologie ist in der Lage, eine solche Einschränkung zu erfüllen“, sagte er.

Im Gegensatz zur Halbleiterfertigung wird bei ihrer Technik jedoch ein biologisch abbaubares Material verwendet, der Prozess verbraucht weniger Energie und produziert weniger Abfall. Das Polymerfilament könnte auch mit anderen Materialien, etwa magnetischen Mikropartikeln, dotiert werden, was zusätzliche Funktionalitäten ermöglichen könnte.

In Zukunft wollen die Forscher diese Technologie nutzen, um voll funktionsfähige Elektronik zu drucken. Sie streben danach, einen funktionierenden Magnetmotor ausschließlich im Extrusions-3D-Druck herzustellen. Sie möchten den Prozess auch verfeinern, damit sie komplexere Schaltkreise bauen und sehen können, wie weit sie die Leistung dieser Geräte steigern können.

„Dieser Artikel zeigt, dass aktive elektronische Geräte mithilfe von extrudierten leitfähigen Polymermaterialien hergestellt werden können. Diese Technologie ermöglicht den Einbau von Elektronik in 3D-gedruckte Strukturen. Eine faszinierende Anwendung ist der On-Demand-3D-Druck von Mechatronik an Bord von Raumfahrzeugen“, sagte Roger Howe, emeritierter William E. Ayer-Professor für Ingenieurwissenschaften an der Stanford University, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war.

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