無需半導(dǎo)體材料的電子器件問世，引領(lǐng)電子制造業(yè)新變革
【化工儀器網(wǎng) 項目成果】在科技日新月異的今天，半導(dǎo)體材料作為現(xiàn)代電子工業(yè)的基石，已經(jīng)深刻改變了我們的生活方式，從智能手機到超級計算機，無一不依賴于其卓越的性能與穩(wěn)定性。然而，隨著科技的持續(xù)進步和對更高效、更環(huán)保解決方案的追求，電子制造領(lǐng)域迎來了一項重大突破，美國麻省理工學(xué)院的研究團隊成功利用全3D打印技術(shù)，制作出了無需半導(dǎo)體材料的有源電子設(shè)備器件。這一創(chuàng)新成果不僅為未來的電子制造開辟了全新的路徑，也預(yù)示著電子行業(yè)將迎來一場深刻的變革。
盡管半導(dǎo)體材料如硅(Si)、鍺(Ge)及化合物半導(dǎo)體等在現(xiàn)代電子技術(shù)中扮演著核心角色，但它們并非沒有局限性。隨著芯片集成度的不斷提高，摩爾定律逐漸逼近物理極限，如量子隧穿效應(yīng)、熱耗散等問題日益凸顯，限制了芯片性能的進一步提升。此外，半導(dǎo)體材料的制備過程復(fù)雜且能耗較高，對環(huán)境也造成了一定影響。
而該團隊使用的是普通的3D打印機和成本低廉、可生物降解的材料，成功打印出了這些無需半導(dǎo)體材料的電子器件。盡管這些器件的性能目前還不足以與傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管相媲美，但它們已經(jīng)能夠執(zhí)行一些基本的控制任務(wù)，如調(diào)節(jié)電動機的速度。
這一新技術(shù)的核心在于團隊發(fā)現(xiàn)的一種特殊現(xiàn)象：摻雜銅納米顆粒的聚合物細絲在通過大電流時會表現(xiàn)出顯著的電阻增加，而一旦停止供電，其電阻又能迅速恢復(fù)到初始狀態(tài)。這種特性使得該材料可以被用作開關(guān)元件，其功能類似于半導(dǎo)體中的晶體管。
在實驗中，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(fù)位能力?；谶@一現(xiàn)象，團隊推測，電流導(dǎo)致的熱效應(yīng)可能使銅粒子擴散開來，從而增加了電阻；而在冷卻后，銅粒子重新聚集，電阻也隨之降低。此外，聚合物基質(zhì)從結(jié)晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)再轉(zhuǎn)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)出了一種新型邏輯門。這種邏輯門由銅摻雜聚合物制成的細絲構(gòu)成，可以通過調(diào)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，還可以實現(xiàn)更加復(fù)雜多樣的應(yīng)用。這一成果展示了未來小型企業(yè)自主生產(chǎn)簡單智能硬件的可能性。
此外，該技術(shù)的另一大優(yōu)勢在于其環(huán)保性和經(jīng)濟性。由于采用了成本低廉、可生物降解的材料，這一新技術(shù)在生產(chǎn)過程中使用的能量更少，產(chǎn)生的廢物也更少，從而大大降低了生產(chǎn)成本并減少了對環(huán)境的影響。
這一創(chuàng)新成果的問世，無疑為電子制造業(yè)帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，無半導(dǎo)體材料的電子器件有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用，從而推動整個電子行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。
業(yè)內(nèi)專家表示，盡管目前這些無半導(dǎo)體器件的性能還無法完全替代傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶體管，但其獨特的優(yōu)勢和潛力不容忽視。隨著研究的深入和技術(shù)的成熟，這些器件有望在特定領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)對傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件的替代，為電子行業(yè)帶來更加廣闊的發(fā)展空間。
素材來源：科技日報
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