Aktive Elektronik – Komponenten, die elektrische Signale steuern können – enthält normalerweise Halbleiterbauelemente, die Informationen empfangen, speichern und verarbeiten. Diese Bauteile, die in einem Reinraum hergestellt werden müssen, erfordern eine fortschrittliche Fertigungstechnologie, die außerhalb einiger weniger spezialisierter Fertigungszentren nicht weit verbreitet ist. Während der Covid-19-Pandemie war der Mangel an weit verbreiteten Halbleiterfertigungsanlagen eine Ursache für einen weltweiten Elektronikmangel, der die Kosten für die Verbraucher in die Höhe trieb und Auswirkungen auf alle Bereiche hatte, vom Wirtschaftswachstum bis zur nationalen Verteidigung. Die Möglichkeit, ein komplettes, aktives elektronisches Gerät ohne Halbleiter in 3D zu drucken, könnte die Elektronikfertigung in Unternehmen, Labors und Haushalten auf der ganzen Welt ermöglichen. Auch wenn diese Idee noch in weiter Ferne liegt, haben MIT-Forscher einen wichtigen Schritt in diese Richtung getan, indem sie vollständig 3D-gedruckte rückstellbare Sicherungen demonstriert haben, die Schlüsselkomponenten aktiver Elektronik sind, für die normalerweise Halbleiter benötigt werden.
Die halbleiterfreien Bauelemente der Forscher, die sie mit Standard-3D-Druck-Hardware 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 sie noch weit davon entfernt sind, die Leistung von Halbleitertransistoren zu erreichen, könnten die 3D-gedruckten Bauelemente für grundlegende Steuerungsvorgänge wie die Regulierung der Geschwindigkeit eines Elektromotors verwendet werden.
„Diese Technologie ist sehr ausbaufähig. Wir können zwar nicht mit Silizium als Halbleiter konkurrieren, aber unsere Idee besteht nicht unbedingt darin, das Bestehende zu ersetzen, sondern die 3D-Drucktechnologie in unbekanntes Terrain vorzustoßen. Kurz gesagt, es geht darum, die Technologie zu demokratisieren. Dies könnte es jedem ermöglichen, intelligente Hardware fernab von traditionellen Fertigungszentren zu entwickeln“, sagt Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT und Hauptautor eines Artikels über die Geräte. Der Hauptautor Jorge Cañada, ein Doktorand der Elektrotechnik und Informatik, ist ebenfalls an der Arbeit beteiligt.
Ein unerwartetes Projekt
Halbleiter, einschließlich Silizium, sind Materialien mit elektrischen Eigenschaften, die durch Hinzufügen bestimmter Verunreinigungen angepasst werden können. Ein Siliziumbauteil kann je nach Konstruktion leitende und isolierende Bereiche haben. Diese Eigenschaften machen Silizium zum idealen Material für die Herstellung von Transistoren, einem Grundbaustein der modernen Elektronik. Die Forscher hatten sich jedoch nicht zum Ziel gesetzt, halbleiterfreie Bauelemente in 3D zu drucken, die sich wie Transistoren auf Siliziumbasis verhalten könnten. Dieses Projekt entstand aus einem anderen, bei dem sie Magnetspulen mit Hilfe des Extrusionsdruckverfahrens herstellten. Bei diesem Verfahren schmilzt der Drucker ein Filament und spritzt das Material durch eine Düse.
Bei dem von ihnen verwendeten Material, einem mit Kupfernanopartikeln dotierten Polymerfilament, beobachteten sie ein interessantes Phänomen. Wenn sie eine große Menge elektrischen Stroms in das Material leiteten, stieg der Widerstand sprunghaft an, kehrte aber kurz nach Beendigung des Stromflusses auf sein ursprüngliches Niveau zurück. Diese Eigenschaft ermöglicht es den Ingenieuren, Transistoren herzustellen, die als Schalter fungieren können, etwas, das normalerweise nur mit Silizium und anderen Halbleitern in Verbindung gebracht wird. Transistoren, die ein- und ausgeschaltet werden, um binäre Daten zu verarbeiten, werden verwendet, um Logikgatter zu bilden, die Berechnungen durchführen. „Wir sahen, dass dies etwas ist, das den 3D-Druck von Hardware auf die nächste Stufe heben könnte. Es bietet eine klare Möglichkeit, einem elektronischen Gerät ein gewisses Maß an ,Intelligenz' zu verleihen“, sagt Velásquez-García.
Die Forscher versuchten, das gleiche Phänomen mit anderen 3D-Druck-Filamenten zu reproduzieren und testeten mit Kohlenstoff dotierte Polymere, Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen. Letztendlich konnten sie kein anderes druckbares Material finden, das als rücksetzbare Sicherung fungieren könnte. Sie stellen die Hypothese auf, dass sich die Kupferpartikel im Material ausbreiten, wenn es durch den elektrischen Strom erhitzt wird, was zu einer Widerstandsspitze führt, die wieder zurückgeht, wenn das Material abkühlt und die Kupferpartikel wieder näher zusammenrücken. Sie vermuten auch, dass sich die Polymerbasis des Materials bei Erwärmung von kristallin zu amorph verändert und bei Abkühlung wieder kristallin wird – ein Phänomen, das als positiver Temperaturkoeffizient von Polymeren bekannt ist. „Im Moment ist das unsere beste Erklärung, aber das ist nicht die ganze Antwort, denn das erklärt nicht, warum es nur bei dieser Materialkombination auftritt. Wir müssen noch mehr forschen, aber es besteht kein Zweifel, dass dieses Phänomen real ist“, sagt er.
Aktive Elektronik im 3D-Druckverfahren
Das Team nutzte das Phänomen, um in einem einzigen Schritt Schalter zu drucken, die zur Herstellung von halbleiterfreien Logikgattern verwendet werden können. Die Bauteile 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 regulieren. Die Bauelemente sind zwar nicht so leistungsfähig wie Transistoren auf Siliziumbasis, können aber für einfachere Steuerungs- und Verarbeitungsfunktionen wie das Ein- und Ausschalten eines Motors verwendet werden. Ihre Experimente zeigten, dass die Bauelemente selbst nach 4.000 Schaltzyklen keine Anzeichen einer Verschlechterung zeigten. Aufgrund der Physik des Extrusionsdrucks und der Materialeigenschaften sind den Forschern jedoch Grenzen gesetzt, wenn es darum geht, die Schalter so klein wie möglich zu gestalten. Sie konnten Bauteile mit einer Größe von einigen hundert Mikrometern drucken, aber Transistoren in der modernen Elektronik haben nur einen Durchmesser von wenigen Nanometern.
„Die Realität ist, dass es viele technische Situationen gibt, die nicht die besten Chips erfordern. Letzten Endes geht es nur darum, ob das Gerät die Aufgabe erfüllen kann. Diese Technologie ist in der Lage, eine solche Bedingung zu erfüllen“, sagt er.
Anders als bei der Herstellung von Halbleitern wird bei dieser Technik jedoch ein biologisch abbaubares Material verwendet, und das Verfahren verbraucht weniger Energie und erzeugt weniger Abfall. Das Polymerfilament könnte auch mit anderen Materialien dotiert werden, zum Beispiel mit magnetischen Mikropartikeln, die zusätzliche Funktionalitäten ermöglichen könnten. In Zukunft wollen die Forscher diese Technologie nutzen, um voll funktionsfähige Elektronik zu drucken. Sie streben die Herstellung eines funktionierenden Magnetmotors an, der nur durch 3D-Extrusion gedruckt wird. Außerdem wollen sie das Verfahren verfeinern, um komplexere Schaltkreise zu bauen und zu sehen, wie weit sie die Leistung dieser Geräte steigern können.
„Diese Arbeit zeigt, dass aktive elektronische Geräte mit Hilfe von extrudierten polymeren leitfähigen Materialien hergestellt werden können. Diese Technologie ermöglicht den Einbau von Elektronik in 3D-gedruckte Strukturen. Eine interessante Anwendung ist der 3D-Druck von mechatronischen Bauteilen an Bord von Raumfahrzeugen“, sagt Roger Howe, der emeritierte William E. Ayer Professor of Engineering an der Stanford University, der nicht an dieser Arbeit beteiligt war.
