Les portes logiques sans semi-conducteurs ouvrent la voie à l'électronique active entièrement imprimée en 3D

Exemple du comportement d'une trace conductrice imprimée en 3D de section variable lorsqu'elle est soumise à un courant électrique élevé. Image optique (à gauche) d'un circuit imprimé en 3D comprenant plusieurs géométries en série, et images thermiques du circuit lors de l'application d'un courant de 10 mA (au centre) et de 50 mA (à droite) (a). Résistance en fonction du temps des différentes sections du circuit imprimé en 3D présenté en 3a lors de l'application d'un courant variable (b). Crédit : Prototypage virtuel et physique (2024). DOI: 10.1080/17452759.2024.2404157

Les composants électroniques actifs, capables de contrôler des signaux électriques, contiennent généralement des dispositifs semi-conducteurs qui reçoivent, stockent et traitent des informations. Ces composants, qui doivent être fabriqués dans une salle blanche, nécessitent une technologie de fabrication avancée qui n'est pas largement disponible en dehors de quelques centres de fabrication spécialisés.

Pendant la pandémie de COVID-19, l'absence d'installations de fabrication de semi-conducteurs largement répandues a été l'une des causes d'une pénurie mondiale d'électronique, qui a fait grimper les coûts pour les consommateurs et a eu des implications dans tous les domaines, de la croissance économique à la défense nationale. La possibilité d'imprimer en 3D un dispositif électronique actif complet sans avoir recours à des semi-conducteurs pourrait permettre aux entreprises, aux laboratoires et aux particuliers du monde entier de fabriquer des appareils électroniques.

Bien que cette idée soit encore lointaine, les chercheurs du MIT ont fait un pas important dans cette direction en démontrant que des fusibles réinitialisables entièrement imprimés en 3D, qui sont des composants clés de l'électronique active nécessitant habituellement des semi-conducteurs, pouvaient être fabriqués. L'étude est publiée dans la revue Virtual and Physical Prototyping.

Les dispositifs sans semi-conducteurs des chercheurs, qu'ils ont fabriqués à l'aide de matériel d'impression 3D standard et d'un matériau biodégradable peu coûteux, peuvent exécuter les mêmes fonctions de commutation que les transistors à base de semi-conducteurs utilisés pour les opérations de traitement dans l'électronique active.

Bien qu'ils soient encore loin d'atteindre les performances des transistors à semi-conducteurs, les dispositifs imprimés en 3D pourraient être utilisés pour des opérations de contrôle de base telles que la régulation de la vitesse d'un moteur électrique.

« Cette technologie a vraiment de l'avenir. Bien que nous ne puissions pas rivaliser avec le silicium en tant que semi-conducteur, notre idée n'est pas nécessairement de remplacer ce qui existe, mais de pousser la technologie de l'impression 3D vers des territoires inexplorés. En un mot, il s'agit vraiment de démocratiser la technologie. Cela pourrait permettre à n'importe qui de créer du matériel intelligent loin des centres de fabrication traditionnels », explique Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d’un article décrivant les appareils paru dans Virtual and Physical Prototyping.

Il est rejoint par l'auteur principal, Jorge Cañada, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique.

Un projet inattendu

Les semi-conducteurs, dont le silicium, sont des matériaux dont les propriétés électriques peuvent être modifiées par l'ajout de certaines impuretés. Un dispositif en silicium peut comporter des zones conductrices et isolantes, en fonction de la manière dont il est conçu. Ces propriétés font du silicium un matériau idéal pour la production de transistors, qui constituent un élément de base de l'électronique moderne.

Toutefois, les chercheurs n'avaient pas pour objectif d'imprimer en 3D des dispositifs sans semi-conducteur capables de se comporter comme des transistors à base de silicium.

Ce projet est né d'un autre projet dans lequel ils fabriquaient des bobines magnétiques à l'aide de l'impression par extrusion, un processus dans lequel l'imprimante fait fondre le filament et fait gicler le matériau à travers une buse, fabriquant ainsi un objet couche par couche.

Ils ont observé un phénomène intéressant dans le matériau qu'ils utilisaient, un filament de polymère dopé avec des nanoparticules de cuivre.

S'ils font passer une grande quantité de courant électrique dans le matériau, celui-ci présente une forte augmentation de la résistance, mais revient à son niveau initial peu après l'arrêt du courant.

Cette propriété permet aux ingénieurs de fabriquer des transistors qui peuvent fonctionner comme des interrupteurs, ce qui n'est généralement associé qu'au silicium et à d'autres semi-conducteurs. Les transistors, qui s'allument et s'éteignent pour traiter des données binaires, sont utilisés pour former des portes logiques qui effectuent des calculs.

« Nous avons compris qu'il s'agissait d'un élément susceptible de faire passer le matériel d'impression 3D à la vitesse supérieure. Il s'agit d'un moyen clair de conférer un certain degré d'intelligence à un appareil électronique », précise Fernando Velásquez-García.

Les chercheurs ont essayé de reproduire le même phénomène avec d'autres filaments d'impression 3D, en testant des polymères dopés au carbone, des nanotubes de carbone et du graphène. En fin de compte, ils n'ont pas trouvé d'autre matériau imprimable capable de fonctionner comme un fusible réinitialisable.

Ils supposent que les particules de cuivre contenues dans le matériau s'étalent lorsqu'il est chauffé par le courant électrique, ce qui provoque un pic de résistance qui redescend lorsque le matériau refroidit et que les particules de cuivre se rapprochent les unes des autres. Ils pensent également que la base polymère du matériau passe de l'état cristallin à l'état amorphe lorsqu'elle est chauffée, puis redevient cristalline lorsqu'elle est refroidie - un phénomène connu sous le nom de coefficient de température positif des polymères.

« Pour l'instant, c'est notre meilleure explication, mais ce n'est pas la réponse complète car cela n'explique pas pourquoi le phénomène ne s'est produit qu'avec cette combinaison de matériaux. Nous devons poursuivre nos recherches, mais il ne fait aucun doute que ce phénomène est réel », ajoute-t-il.

Impression 3D d'électronique active

L'équipe a exploité ce phénomène pour imprimer en une seule étape des commutateurs qui pourraient être utilisés pour former des portes logiques sans semi-conducteur.

Les dispositifs sont fabriqués à partir de fines traces de polymère dopé au cuivre imprimées en 3D. Ils contiennent des régions conductrices entrecroisées qui permettent aux chercheurs de réguler la résistance en contrôlant la tension alimentant le commutateur.

Bien que les dispositifs ne soient pas aussi performants que les transistors à base de silicium, ils pourraient être utilisés pour des fonctions de contrôle et de traitement plus simples, telles que la mise en marche et l'arrêt d'un moteur. Leurs expériences ont montré que, même après 4 000 cycles de commutation, les dispositifs ne présentaient aucun signe de détérioration.

La taille des interrupteurs que les chercheurs peuvent fabriquer est toutefois limitée par la physique de l'impression par extrusion et les propriétés du matériau. Ils ont pu imprimer des dispositifs de quelques centaines de microns, mais les transistors de l'électronique de pointe n'ont que quelques nanomètres de diamètre.

« La réalité est qu'il existe de nombreuses situations d'ingénierie qui ne nécessitent pas les meilleures puces. En fin de compte, tout ce qui compte, c'est que l'appareil puisse accomplir la tâche. Cette technologie permet de répondre à une telle contrainte », explique-t-il.

Toutefois, contrairement à la fabrication de semi-conducteurs, cette technique utilise un matériau biodégradable et le processus consomme moins d'énergie et produit moins de déchets. Le filament de polymère pourrait également être dopé avec d'autres matériaux, comme des microparticules magnétiques qui pourraient permettre des fonctionnalités supplémentaires.

À l'avenir, les chercheurs souhaitent utiliser cette technologie pour imprimer des composants électroniques entièrement fonctionnels. Ils s'efforcent de fabriquer un moteur magnétique fonctionnel en utilisant uniquement l'impression 3D par extrusion. Ils souhaitent également affiner le processus afin de construire des circuits plus complexes et de voir jusqu'où ils peuvent pousser les performances de ces dispositifs.

« Cet article démontre qu'il est possible de fabriquer des dispositifs électroniques actifs à l'aide de matériaux polymères conducteurs extrudés. Cette technologie permet d'intégrer des composants électroniques dans des structures imprimées en 3D. Une application intéressante est l'impression 3D à la demande de systèmes mécatroniques à bord d'engins spatiaux », déclare Roger Howe, professeur émérite d'ingénierie William E. Ayer à l'université de Stanford, qui n'a pas participé à ces travaux.

https://news.mit.edu/2024/mit-team-takes-major-step-toward-fully-3d-printed-active-electronics-1015