MIT-onderzoekers bereiken doorbraak in volledig 3D-geprinte actieve elektronica

Elektronica en sensoren INSIDER

De apparaten zijn gemaakt van dunne, 3D-geprinte sporen van het met koper gedoteerde polymeer. Ze bevatten elkaar kruisende geleidende gebieden waarmee de onderzoekers de weerstand kunnen regelen door de spanning die in de schakelaar wordt gevoerd te regelen. (Afbeelding:met dank aan de onderzoekers)

Actieve elektronica – componenten die elektrische signalen kunnen besturen – bevatten meestal halfgeleiderapparaten die informatie ontvangen, opslaan en verwerken. Deze componenten, die in een cleanroom moeten worden gemaakt, vereisen geavanceerde fabricagetechnologie die niet algemeen beschikbaar is buiten een paar gespecialiseerde productiecentra.

Tijdens de Covid-19-pandemie was het gebrek aan wijdverbreide productiefaciliteiten voor halfgeleiders een van de oorzaken van een wereldwijd tekort aan elektronica, wat de kosten voor de consument deed stijgen en gevolgen had voor alles, van economische groei tot nationale defensie. De mogelijkheid om een volledig, actief elektronisch apparaat in 3D te printen zonder de noodzaak van halfgeleiders zou de fabricage van elektronica naar bedrijven, laboratoria en huizen over de hele wereld kunnen brengen.

Hoewel dit idee nog ver weg is, hebben MIT-onderzoekers een belangrijke stap in die richting gezet door volledig 3D-geprinte resetbare zekeringen te demonstreren, die sleutelcomponenten zijn van actieve elektronica waarvoor meestal halfgeleiders nodig zijn.

De halfgeleidervrije apparaten van de onderzoekers, die ze hebben geproduceerd met behulp van standaard 3D-printhardware en een goedkoop, biologisch afbreekbaar materiaal, kunnen dezelfde schakelfuncties uitvoeren als de op halfgeleiders gebaseerde transistors die worden gebruikt voor verwerkingsbewerkingen in actieve elektronica.

Hoewel de prestaties van halfgeleidertransistors nog lang niet kunnen worden bereikt, zouden de 3D-geprinte apparaten kunnen worden gebruikt voor basisbesturingsoperaties, zoals het regelen van de snelheid van een elektromotor.

"Deze technologie heeft echte mogelijkheden. Hoewel we niet kunnen concurreren met silicium als halfgeleider, is ons idee niet noodzakelijkerwijs het bestaande te vervangen, maar om de 3D-printtechnologie naar onbekend terrein te duwen. Kortom, dit gaat eigenlijk over het democratiseren van technologie. Dit zou iedereen in staat kunnen stellen slimme hardware te maken ver van traditionele productiecentra", zegt Luis Fernando Velásquez-García, hoofdonderzoeker bij MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL) en senior auteur van een artikel waarin de apparaten, die verschijnt in Virtuele en fysieke prototypes. Hij wordt op het artikel vergezeld door hoofdauteur Jorge Cañada, een afgestudeerde student elektrotechniek en computerwetenschappen.

Halfgeleiders, waaronder silicium, zijn materialen met elektrische eigenschappen die op maat kunnen worden gemaakt door bepaalde onzuiverheden toe te voegen. Een siliciumapparaat kan geleidende en isolerende gebieden hebben, afhankelijk van hoe het is ontworpen. Deze eigenschappen maken silicium ideaal voor het produceren van transistors, die een fundamentele bouwsteen vormen van moderne elektronica. De onderzoekers waren echter niet van plan halfgeleidervrije apparaten in 3D te printen die zich zouden kunnen gedragen als op silicium gebaseerde transistors.

Dit project kwam voort uit een ander project waarin ze magnetische spoelen fabriceerden met behulp van extrusieprinten, een proces waarbij de printer filament smelt en materiaal door een mondstuk spuit, waardoor een object laag voor laag wordt vervaardigd. Ze zagen een interessant fenomeen in het materiaal dat ze gebruikten:een polymeerfilament gedoteerd met koperen nanodeeltjes. Als ze een grote hoeveelheid elektrische stroom door het materiaal zouden sturen, zou dit een enorme weerstandspiek vertonen, maar zou het terugkeren naar het oorspronkelijke niveau kort nadat de stroom was gestopt.

Deze eigenschap stelt ingenieurs in staat transistors te maken die als schakelaars kunnen werken, iets dat doorgaans alleen wordt geassocieerd met silicium en andere halfgeleiders. Transistors, die aan en uit gaan om binaire data te verwerken, worden gebruikt om logische poorten te vormen, die berekeningen uitvoeren.

De onderzoekers probeerden hetzelfde fenomeen te repliceren met andere 3D-printfilamenten, waarbij ze polymeren testten die waren gedoteerd met koolstof, koolstofnanobuisjes en grafeen. Uiteindelijk konden ze geen ander printbaar materiaal vinden dat zou kunnen functioneren als een resetbare zekering.

Ze veronderstellen dat de koperdeeltjes in het materiaal zich verspreiden als het wordt verwarmd door de elektrische stroom, wat een weerstandspiek veroorzaakt die weer naar beneden komt als het materiaal afkoelt en de koperdeeltjes dichter bij elkaar komen. Ze denken ook dat de polymeerbasis van het materiaal verandert van kristallijn in amorf bij verhitting, en vervolgens terugkeert naar kristallijn bij afkoeling – een fenomeen dat bekend staat als de polymere positieve temperatuurcoëfficiënt.

"Voorlopig is dat onze beste verklaring, maar dat is niet het volledige antwoord, want dat verklaart niet waarom dit alleen in deze combinatie van materialen gebeurde. We moeten meer onderzoek doen, maar er bestaat geen twijfel over dat dit fenomeen reëel is", zei hij.

Het team maakte gebruik van dit fenomeen om in één stap schakelaars te printen die gebruikt konden worden om halfgeleidervrije logische poorten te vormen. De apparaten zijn gemaakt van dunne, 3D-geprinte sporen van het met koper gedoteerde polymeer. Ze bevatten elkaar kruisende geleidende gebieden waarmee de onderzoekers de weerstand kunnen regelen door de spanning te regelen die in de schakelaar wordt gevoerd.

Hoewel de apparaten niet zo goed presteerden als op silicium gebaseerde transistors, konden ze worden gebruikt voor eenvoudigere besturings- en verwerkingsfuncties, zoals het in- en uitschakelen van een motor. Uit hun experimenten bleek dat de apparaten zelfs na 4.000 schakelcycli geen tekenen van achteruitgang vertoonden.

Maar er zijn grenzen aan hoe klein de onderzoekers de schakelaars kunnen maken, gebaseerd op de fysica van extrusieprinten en de eigenschappen van het materiaal. Ze konden apparaten printen die een paar honderd micron groot waren, maar transistors in de modernste elektronica hebben een diameter van slechts enkele nanometers.

"De realiteit is dat er veel technische situaties zijn waarin niet de beste chips nodig zijn. Uiteindelijk gaat het er alleen maar om of je apparaat de taak kan uitvoeren. Deze technologie is in staat om aan een dergelijke beperking te voldoen", zei hij.

In tegenstelling tot de fabricage van halfgeleiders maakt hun techniek echter gebruik van biologisch afbreekbaar materiaal, het proces verbruikt minder energie en produceert minder afval. Het polymeerfilament zou ook kunnen worden gedoteerd met andere materialen, zoals magnetische microdeeltjes, wat extra functionaliteiten mogelijk zou kunnen maken.

In de toekomst willen de onderzoekers deze technologie gebruiken om volledig functionele elektronica te printen. Ze streven ernaar een werkende magnetische motor te fabriceren met behulp van uitsluitend extrusie-3D-printen. Ze willen het proces ook verfijnen, zodat ze complexere circuits kunnen bouwen en kunnen zien hoe ver ze de prestaties van deze apparaten kunnen verbeteren.

"Dit artikel toont aan dat actieve elektronische apparaten kunnen worden gemaakt met behulp van geëxtrudeerde polymere geleidende materialen. Deze technologie maakt het mogelijk om elektronica in 3D-geprinte structuren in te bouwen. Een intrigerende toepassing is het on-demand 3D-printen van mechatronica aan boord van ruimtevaartuigen", zegt Roger Howe, emeritus hoogleraar engineering van William E. Ayer aan Stanford University, die niet bij dit werk betrokken was.

Bron