研究人員實現3D列印邏輯閘，未來希望能取代半導體列印出主動式電子元件

半導體是當今電子產品的關鍵，它提供了計算能力和控制電訊號的能力。 但製造它們也通常非常複雜和昂貴，因此研究人員提出了一種廉價的「無半導體」方式來實現。

麻省理工學院的一個科學家團隊在嘗試使用擠出列印技術製造磁線圈時有了驚人的發現。該技術將長絲熔化，然後從噴嘴中噴射出所產生的材料，逐層列印出3D形狀。工程師可利用這種方法生成無需任何半導體元件就能控制電力的邏輯閘。

研究人員稱，他們的方法適用於列印可復位保險絲，這是主動元件（active component）的基本要素。主動元件是一種具有增益，或是依靠電流方向的電子零件。 實際上，是指電阻、電容、電感 （它們稱為「被動元件」）以外的電子零件。 主動元件的例子如電晶體、可控矽整流器、真空管等。 

研究小組利用標準、經濟的 3D 印表機和摻有奈米銅粒子的廉價、可生物降解的聚合物材料製造了這些裝置。他們發現，如果有大量電流通過這種材料，列印出來的邏輯閘會出現電阻峰值，然後在電流中斷後恢復原狀。

在他們的研究中，麻省理工學院工程師豪爾赫-卡納達（Jorge Cañada）和首席研究科學家路易斯-費爾南多-貝拉斯克斯-加西亞（Luis Fernando Velásquez-García）利用了這種類似半導體的能力來列印開關。雖然與矽基電晶體相比，這些聚合物開關不具備計算能力，但它們在機械功能方面表現出色，例如打開和關閉電機。

▲ 橫截面不同的 3D 列印導電跡線在高電流下的行為示例。 由多個幾何形狀串聯而成的 3D 列印電路的光學圖像（左），以及電路在施加 10 mA（中間）和 50 mA（右）電流時的熱圖像。

「這項技術具有真正的優勢。 雖然我們無法與矽半導體競爭，但我們的想法不一定要取代現有技術，而是要將 3D 列印技術推向未知領域。 一言以蔽之，這其實就是技術民主化。 這可以讓任何人在遠離傳統製造中心的地方創造智慧硬體，」Velásquez-García 向《麻省理工新聞》表示。

列印出來的邏輯閘即使經過數千次開關循環也是可靠的。 Velásquez-García 解釋說，製造商可以在廉價裝置中使用這種方法，而不需要市場上最好的基於電晶體的晶片。

「說到底，你關心的只是你的裝置能否完成任務，」他說。「這項技術能夠滿足這樣的限制。」

麻省理工學院團隊試圖將新發現的 3D 列印方法描繪成解決半導體製造可獲得性問題的潛在方案。 在 COVID-19 大流行期間，主動式電子元件變得非常搶手，造成了嚴重的全球影響和價格飆升。

利用適當的材料"配方"輕鬆列印邏輯閘可以為實驗室、公司甚至私人家庭的電子製造提供另一條道路，而無需屈從於經濟投機或製造壟斷。不過，該團隊仍在努力開發其技術的改進版本。 他們最終希望將這項技術發展到足以列印出具有更複雜電路和更高性能的完整電子元件。

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