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

Electronics & Sensors INSIDER

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

Halbleiterfreie aktive Elektronik aus dem 3D-Drucker

Aktive Elektronik – Komponenten, die elektrische Signale steuern können – enthalten normalerweise Halbleiterbauelemente, die Informationen empfangen, speichern und verarbeiten. Diese Komponenten müssen in Reinräumen gefertigt werden und erfordern fortschrittliche Fertigungstechnologie, die außerhalb weniger spezialisierter Fertigungszentren nicht breit verfügbar ist.

Während der COVID-19-Pandemie war der Mangel an weit verbreiteten Halbleiterfertigungsanlagen eine Ursache für einen weltweiten Elektronikmangel, der die Kosten für Verbraucher in die Höhe trieb und Auswirkungen auf alles von Wirtschaftswachstum bis zur nationalen Verteidigung hatte. Die Fähigkeit, ein vollständiges, aktives elektronisches Gerät ohne Halbleiter im 3D-Druck herzustellen, könnte die Elektronikfertigung in Unternehmen, Labore und Haushalte weltweit bringen.

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

Funktionsweise der halbleiterfreien Geräte

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

Obwohl sie noch weit von der Leistung von Halbleitertransistoren entfernt sind, könnten die 3D-gedruckten Geräte für grundlegende Steuerungsoperationen eingesetzt werden, wie die Regelung der Drehzahl eines Elektromotors.

„Diese Technologie hat echtes Potenzial. Obwohl wir nicht mit Silizium als Halbleiter konkurrieren können, ist unsere Idee nicht unbedingt, das Bestehende zu ersetzen, sondern 3D-Drucktechnologie in unerforschtes Terrain vorzustoßen. Kurz gesagt: Es geht wirklich um die Demokratisierung von Technologie. Dies könnte es jedem ermöglichen, smarte Hardware fernab traditioneller Fertigungszentren zu erstellen“, sagte Luis Fernando Velásquez-García, Principal Research Scientist in MITs Microsystems Technology Laboratories (MTL) und Senior-Autor einer die Geräte beschreibenden Publikation, die in Virtual and Physical Prototyping erscheint. Ihm zur Seite steht Erstautor Jorge Cañada, Graduiertenstudent in Elektrotechnik und Informatik.

Entdeckung des Materials

Halbleiter, einschließlich Silizium, sind Materialien mit elektrischen Eigenschaften, die durch Zugabe bestimmter Verunreinigungen maßgeschneidert werden können. Ein Siliziumbauelement kann leitende und isolierende Bereiche haben, je nachdem, wie es konstruiert ist. Diese Eigenschaften machen Silizium ideal für die Herstellung von Transistoren, einem grundlegenden Baustein moderner Elektronik. Die Forscher hatten jedoch nicht das Ziel, halbleiterfreie 3D-gedruckte Geräte zu entwickeln, die sich wie siliziumbasierte Transistoren verhalten.

Dieses Projekt entstand aus einem anderen, in dem sie magnetische Spulen mittels Extrusionsdruck herstellten – ein Prozess, bei dem der Drucker Filament schmilzt und Material durch eine Düse extrudiert, um ein Objekt Schicht für Schicht aufzubauen. Dabei beobachteten sie ein interessantes Phänomen in dem verwendeten Material, einem Polymerfilament, das mit Kupfernanopartikeln dotiert war. Leiteten sie eine große Menge elektrischen Strom in das Material, zeigte es einen massiven Widerstandsanstieg, der kurz nach Stoppen des Stromflusses auf das ursprüngliche Niveau zurückfiel.

Diese Eigenschaft ermöglicht Ingenieuren die Herstellung von Transistoren, die als Schalter fungieren – etwas, das typischerweise nur mit Silizium und anderen Halbleitern assoziiert wird. Transistoren, die ein- und ausschalten, um Binärdaten zu verarbeiten, werden zur Bildung von Logikgattern verwendet, die Berechnungen durchführen.

Die Forscher versuchten, das gleiche Phänomen mit anderen 3D-Druckfilamenten nachzubilden, testeten Polymere, die mit Kohlenstoff, Kohlenstoffnanoröhren und Graphen dotiert waren. Am Ende fanden sie kein weiteres druckbares Material, das als rückstellbare Sicherung funktionieren konnte.

Sie vermuten, dass sich die Kupferpartikel im Material bei Erwärmung durch den elektrischen Strom ausbreiten, was einen Widerstandsspitzen verursacht, der wieder abfällt, wenn das Material abkühlt und die Kupferpartikel näher zusammenrücken. Sie denken auch, dass die Polymerbasis des Materials beim Erhitzen von kristallin in amorph übergeht und beim Abkühlen wieder in kristallin zurückkehrt – ein Phänomen, bekannt als polymerer positiver Temperaturkoeffizient (PTC).

„Das ist vorerst unsere beste Erklärung, aber nicht die vollständige Antwort, denn das erklärt nicht, warum es nur bei dieser Materialkombination auftrat. Wir müssen mehr forschen, aber es besteht kein Zweifel, dass dieses Phänomen real ist“, sagte er.

Anwendung: Logikgatter ohne Halbleiter

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

Obwohl die Geräte nicht so gut abschnitten wie siliziumbasierte Transistoren, könnten sie für einfachere Steuerungs- und Verarbeitungsfunktionen eingesetzt werden, wie das Ein- und Ausschalten eines Motors. Ihre Experimente zeigten, dass die Geräte auch nach 4.000 Schaltzyklen keine Anzeichen von Verschlechterung aufwiesen.

Grenzen und Vorteile

Es gibt jedoch Grenzen, wie klein die Forscher die Schalter machen können, basierend auf der Physik des Extrusionsdrucks und den Materialeigenschaften. Sie konnten Geräte von einigen hundert Mikrometern drucken, während Transistoren in modernster Elektronik nur wenige Nanometer im Durchmesser messen.

„Die Realität ist, dass es viele ingenieurtechnische Situationen gibt, die nicht die besten Chips erfordern. Am Ende des Tages kommt es nur darauf an, ob Ihr Gerät die Aufgabe erfüllen kann. Diese Technologie kann eine solche Einschränkung erfüllen“, sagte er.

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

Zukünftige Ziele

In Zukunft wollen die Forscher diese Technologie nutzen, um voll funktionsfähige Elektronik zu drucken. Sie streben an, einen funktionierenden Magnetmotor ausschließlich mittels Extrusions-3D-Druck herzustellen. Zudem möchten sie den Prozess verfeinern, um komplexere Schaltungen zu bauen und die Leistungsgrenzen dieser Geräte auszuloten.

„Diese Arbeit demonstriert, dass aktive elektronische Geräte mit extrudierten polymeren leitfähigen Materialien hergestellt werden können. Diese Technologie ermöglicht es, Elektronik in 3D-gedruckte Strukturen zu integrieren. Eine faszinierende Anwendung ist der bedarfsgerechte 3D-Druck von Mechatronik an Bord von Raumfahrzeugen“, sagte Roger Howe, William E. Ayer Professor of Engineering, Emeritus, an der Stanford University, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war.

Quelle