Ein Team von Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) hat einen wichtigen Schritt in Richtung vollständig 3D-gedruckter Elektronik ohne Halbleiter gemacht. Mit der Entwicklung von 3D-gedruckten, rücksetzbaren Sicherungen, die in der Lage sind, Schaltfunktionen wie Transistoren zu übernehmen, könnten künftig grundlegende elektrische Komponenten ohne den Einsatz von Halbleitern hergestellt werden. Diese Technologie könnte die Herstellung von Elektronik weltweit vereinfachen und dezentralisieren, sodass Labore, Unternehmen und sogar Haushalte davon profitieren könnten. Das MIT hatte darüber in einer Mitteilung berichtet.
Die Forschungsarbeit kann unter dem Titel „Semiconductor-free, monolithically 3D-printed logic gates and resettable fuses“ nachgelesen werden.
Hintergrund der Forschung
Traditionell werden aktive elektronische Komponenten wie Transistoren auf Halbleitern, insbesondere Silizium, aufgebaut. Diese Halbleiterkomponenten sind in der Lage, elektrische Signale zu steuern und Informationen zu verarbeiten, wobei sie jedoch unter Reinraumbedingungen hergestellt werden müssen. Solche spezialisierten Produktionsstätten sind nur an wenigen Orten verfügbar, was zu Problemen führen kann, wie sich während der COVID-19-Pandemie zeigte, als ein Mangel an Halbleiterproduktionen weltweit die Elektronikversorgung beeinträchtigte.
Das Forscherteam vom MIT unter der Leitung von Luis Fernando Velásquez-García, einem leitenden Wissenschaftler an den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT, hat nun gezeigt, dass es möglich ist, mit herkömmlichen 3D-Druckern und einem biologisch abbaubaren Material halbleiterfreie, schaltbare Bauteile zu drucken. Diese Bauteile könnten künftig in einfachen elektronischen Steuerungen verwendet werden.
Velásquez-García erklärt:
„Diese Technologie hat Potenzial. Während wir noch nicht mit der Leistungsfähigkeit von Siliziumtransistoren konkurrieren können, geht es uns nicht darum, das Bestehende zu ersetzen, sondern die 3D-Drucktechnologie in neue Bereiche zu erweitern. Letztlich geht es darum, Technologie zu demokratisieren und die Herstellung von intelligenter Hardware auch abseits der traditionellen Fertigungszentren zu ermöglichen.“
Entdeckung und Funktionsweise der halbleiterfreien Bauteile
Das Projekt entstand ursprünglich aus Versuchen, magnetische Spulen im 3D-Druckverfahren zu fertigen. Während des Experiments bemerkten die Forscher, dass das verwendete Material, ein mit Kupferpartikeln angereicherter Polymerfaden, eine ungewöhnliche Eigenschaft aufwies: Bei Anlegen eines elektrischen Stroms erhöhte sich der Widerstand des Materials stark, kehrte jedoch nach dem Abschalten des Stroms wieder auf seinen ursprünglichen Wert zurück. Dieses Verhalten ermöglicht die Entwicklung von Schaltkreisen ohne Halbleiter, die wie Transistoren arbeiten können.
Die Forscher testeten verschiedene Materialien, darunter Polymere mit Kohlenstoff-Nanoröhren und Graphen, konnten jedoch keine anderen Materialien finden, die als rücksetzbare Sicherungen funktionieren. Sie vermuten, dass die Kupferpartikel im Material sich bei Erhitzung durch den Strom verteilen und so den Widerstand erhöhen, während sie sich beim Abkühlen wieder zusammenziehen und der Widerstand sinkt.
Die gedruckten Sicherungen wurden in über 4.000 Schaltzyklen getestet, ohne Anzeichen von Verschleiß zu zeigen. Obwohl die Leistung dieser Bauteile noch nicht mit der von Siliziumtransistoren vergleichbar ist, könnten sie für einfache Steuerungsaufgaben wie das An- und Ausschalten eines Motors verwendet werden.
In Zukunft planen die Forscher, ihre Technik zu verfeinern, um komplexere elektronische Schaltungen zu drucken. Ein weiteres Ziel ist es, vollständig funktionale elektronische Systeme, wie etwa magnetische Motoren, ausschließlich durch den 3D-Druck herzustellen.
Roger Howe, Professor an der Stanford University, der nicht an der Studie beteiligt war, kommentiert abschließend:
„Dieses Papier zeigt, dass aktive elektronische Bauteile mit leitfähigen Polymermaterialien im 3D-Druck gefertigt werden können. Diese Technologie eröffnet neue Möglichkeiten, Elektronik direkt in 3D-gedruckte Strukturen zu integrieren.“
