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化工仪器网 项目成果】在科技日新月异的今天，半导体材料作为现代电子工业的基石，已经深刻改变了我们的生活方式，从智能手机到超级计算机，无一不依赖于其卓越的性能与稳定性。然而，随着科技的持续进步和对更高效、更环保解决方案的追求，电子制造领域迎来了一项重大突破，美国麻省理工学院的研究团队成功利用全3D打印技术，制作出了无需半导体材料的有源电子设备器件。这一创新成果不仅为未来的电子制造开辟了全新的路径，也预示着电子行业将迎来一场深刻的变革。
尽管半导体材料如硅(Si)、锗(Ge)及化合物半导体等在现代电子技术中扮演着核心角色，但它们并非没有局限性。随着芯片集成度的不断提高，摩尔定律逐渐逼近物理极限，如量子隧穿效应、热耗散等问题日益凸显，限制了芯片性能的进一步提升。此外，半导体材料的制备过程复杂且能耗较高，对环境也造成了一定影响。
而该团队使用的是普通的
3D打印机和成本低廉、可生物降解的材料，成功打印出了这些无需半导体材料的电子器件。尽管这些器件的性能目前还不足以与传统半导体晶体管相媲美，但它们已经能够执行一些基本的控制任务，如调节电动机的速度。
这一新技术的核心在于团队发现的一种特殊现象：掺杂铜纳米颗粒的聚合物细丝在通过大电流时会表现出显著的电阻增加，而一旦停止供电，其电阻又能迅速恢复到初始状态。这种特性使得该材料可以被用作开关元件，其功能类似于半导体中的晶体管。
在实验中，团队尝试了多种不同掺杂物(包括碳、碳纳米管以及石墨烯)的聚合物细丝，但只有含铜纳米颗粒的细丝展现出了自复位能力。基于这一现象，团队推测，电流导致的热效应可能使铜粒子扩散开来，从而增加了电阻；而在冷却后，铜粒子重新聚集，电阻也随之降低。此外，聚合物基质从结晶态转变为非晶态再转回的过程，也可能对电阻的变化有所贡献。
利用这一原理，团队开发出了一种新型逻辑门。这种逻辑门由铜掺杂聚合物制成的细丝构成，可以通过调整输入电压来控制电阻变化。此外，向聚合物细丝中添加其他功能性微粒，还可以实现更加复杂多样的应用。这一成果展示了未来小型企业自主生产简单智能硬件的可能性。
此外，该技术的另一大优势在于其环保性和经济性。由于采用了成本低廉、可生物降解的材料，这一新技术在生产过程中使用的能量更少，产生的废物也更少，从而大大降低了生产成本并减少了对环境的影响。
这一创新成果的问世，无疑为电子制造业带来了新的机遇和挑战。随着技术的不断发展和完善，无半导体材料的电子器件有望在更多领域得到应用，从而推动整个电子行业的转型升级。
业内专家表示，尽管目前这些无半导体器件的性能还无法完全替代传统半导体晶体管，但其独特的优势和潜力不容忽视。随着研究的深入和技术的成熟，这些器件有望在特定领域实现对传统半导体器件的替代，为电子行业带来更加广阔的发展空间。
素材来源：科技日报
作者：南笙
