原標題:無需半導體材料的電子器件問世
科技日報北京10月22日電 (記者張夢然)美國麻省理工學院團隊在電子制造領域取得一項重要進展:他們利用全3D打印技術,制作出了不需要半導體材料的有源電子設備器件。這一突破性研究發(fā)表在新一期《虛擬與物理原型》雜志上,為將來的電子制造開辟了新途徑。
團隊使用普通的3D打印機和成本低廉、可生物降解的材料,打印了這些無半導體器件。雖然這些器件性能還不足以與傳統(tǒng)半導體晶體管相比,但它們已能執(zhí)行一些基本的控制任務,比如調節(jié)電動機的速度。這項新技術使用的能量較少,產生的廢物也更少,不僅降低了生產成本,還減少了對環(huán)境的影響。
實驗過程中,團隊發(fā)現(xiàn)摻雜銅納米顆粒的聚合物細絲具有一種特別的現(xiàn)象:當通過大電流時,材料會表現(xiàn)出顯著的電阻增加;而一旦停止供電,其電阻又迅速恢復到初始狀態(tài)。這種特性使該材料可被用作開關元件,類似于半導體中的晶體管。團隊嘗試了多種不同摻雜物(包括碳、碳納米管以及石墨烯)的聚合物細絲,但只有含銅納米顆粒的細絲展現(xiàn)出了自復位能力。
基于這種現(xiàn)象,團隊認為,電流導致的熱效應或使銅粒子擴散開來,增加了電阻;而在冷卻后,銅粒子重新聚集,電阻隨之降低。此外,聚合物基質從結晶態(tài)轉變?yōu)榉蔷B(tài)再轉回的過程,也可能對電阻的變化有所貢獻。
利用這一原理,團隊開發(fā)出一種新型邏輯門,它由銅摻雜聚合物制成的細絲構成,可以通過調整輸入電壓來控制電阻變化。
此外,向聚合物細絲中添加其他功能性微粒,還可實現(xiàn)更加復雜多樣的應用。
這一成果展示了未來小型企業(yè)自主生產簡單智能硬件的可能性。
邏輯門是數(shù)字邏輯電路基本單元,“或”“與”“非”“或非”“與非”,任何復雜的邏輯電路都可由這些邏輯門組成。晶體管可以實現(xiàn)對輸出電流的開關控制,通過不同電路配置,實現(xiàn)多個邏輯門功能。此次,科研團隊成功利用全3D打印技術,制作出了不需要半導體材料的有源電子設備組件。雖然性能不足以媲美晶體管,但摻雜銅納米顆粒的聚合物細絲已經具備基本的控制功能,且這種材料成本低、廢物少,或能成為晶體管的“平替”。