Des chercheurs du MIT réalisent une percée dans l'électronique active entièrement imprimée en 3D

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Les dispositifs sont fabriqués à partir de traces fines de polymère dopé au cuivre imprimées en 3D. Ils contiennent des régions conductrices qui se croisent, permettant aux chercheurs de réguler la résistance en contrôlant la tension alimentant le commutateur. (Image : Avec l'aimable autorisation des chercheurs)

L'électronique active sans semi-conducteurs

L'électronique active — composants capables de contrôler les signaux électriques — contient généralement des dispositifs semi-conducteurs qui reçoivent, stockent et traitent l'information. Ces composants, qui doivent être fabriqués en salle blanche, requièrent 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, le manque d'installations de fabrication de semi-conducteurs répandues a été l'une des causes d'une pénurie mondiale d'électronique, ce qui a fait grimper les coûts pour les consommateurs et a eu des implications dans tout, de la croissance économique à la défense nationale. La capacité d'imprimer en 3D un dispositif électronique actif complet sans avoir besoin de semi-conducteurs pourrait apporter la fabrication électronique aux entreprises, laboratoires et foyers du monde entier.

Bien que cette idée soit encore lointaine, des chercheurs du MIT ont franchi une étape importante dans cette direction en démontrant des fusibles réinitialisables entièrement imprimés en 3D, qui sont des composants clés de l'électronique active et qui nécessitent habituellement des semi-conducteurs.

Dispositifs sans semi-conducteurs imprimés en 3D

Les dispositifs sans semi-conducteurs des chercheurs, qu'ils ont produits en utilisant du matériel d'impression 3D standard et un matériau biodégradable peu coûteux, peuvent effectuer 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'encore loin d'atteindre les performances des transistors au silicium, les dispositifs imprimés en 3D pourraient être utilisés pour des opérations de contrôle de base comme la régulation de la vitesse d'un moteur électrique.

« Cette technologie a de réelles perspectives. 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 d'impression 3D dans un territoire inexploré. En résumé, il s'agit vraiment de démocratiser la technologie. Cela pourrait permettre à quiconque de créer du matériel intelligent loin des centres de fabrication traditionnels », a déclaré Luis Fernando Velásquez-García, scientifique de recherche principal aux Laboratoires de technologie des microsystèmes (MTL) du MIT et auteur principal d'un article décrivant les dispositifs, publié dans Virtual and Physical Prototyping. Il est rejoint sur l'article par l'auteur principal Jorge Cañada, étudiant diplômé en génie électrique et informatique.

Le phénomène découvert par hasard

Les semi-conducteurs, y compris le silicium, sont des matériaux dont les propriétés électriques peuvent être adaptées en ajoutant certaines impuretés. Un dispositif en silicium peut avoir des régions conductrices et isolantes, selon la façon dont il est conçu. Ces propriétés rendent le silicium idéal pour produire des transistors, qui sont un élément de base de l'électronique moderne. Cependant, les chercheurs ne s'étaient pas fixés pour objectif d'imprimer en 3D des dispositifs sans semi-conducteurs qui se comportent comme des transistors à base de silicium.

Ce projet a découlé d'un autre dans lequel ils fabriquaient des bobines magnétiques en utilisant l'impression par extrusion, un processus où l'imprimante fait fondre le filament et extrude le matériau à travers une buse, fabriquant un objet couche par couche. Ils ont observé un phénomène intéressant dans le matériau qu'ils utilisaient, un filament polymère dopé avec des nanoparticules de cuivre. S'ils faisaient passer une grande quantité de courant électrique dans le matériau, celui-ci présentait un pic énorme de résistance, mais revenait à son niveau initial peu de temps après l'arrêt du flux de courant.

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

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

Hypothèses sur le mécanisme

Ils émettent l'hypothèse que les particules de cuivre dans le matériau s'écartent 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. Ils pensent également que la base polymère du matériau passe de l'état cristallin à l'état amorphe lorsqu'il est chauffé, puis revient à l'état cristallin lorsqu'il refroidit — un phénomène connu sous le nom de coefficient de température positif polymérique.

« Pour l'instant, c'est notre meilleure explication, mais ce n'est pas la réponse complète car cela n'explique pas pourquoi cela ne s'est produit que dans cette combinaison de matériaux. Nous devons faire plus de recherches, mais il n'y a aucun doute que ce phénomène est réel », a-t-il déclaré.

Portes logiques sans semi-conducteurs

L'équipe a exploité ce phénomène pour imprimer des commutateurs en une seule étape qui pourraient être utilisés pour former des portes logiques sans semi-conducteurs. Les dispositifs sont faits de traces fines de polymère dopé au cuivre imprimées en 3D. Ils contiennent des régions conductrices qui se croisent et permettent aux chercheurs de réguler la résistance en contrôlant la tension alimentée dans le commutateur.

Bien que les dispositifs n'aient pas aussi bien performé que les transistors à base de silicium, ils pourraient être utilisés pour des fonctions de contrôle et de traitement plus simples, comme allumer et éteindre un moteur. Leurs expériences ont montré que, même après 4 000 cycles de commutation, les dispositifs ne montraient aucun signe de détérioration.

Limites et avantages

Mais il y a des limites à la taille que les chercheurs peuvent donner aux commutateurs, basées sur la physique de l'impression par extrusion et les propriétés du matériau. Ils pouvaient imprimer des dispositifs de quelques centaines de microns, mais les transistors dans l'électronique de pointe ne font que quelques nanomètres de diamètre.

« La réalité est qu'il y a de nombreuses situations d'ingénierie qui n'exigent pas les meilleures puces. Au final, tout ce qui importe, c'est que votre appareil puisse accomplir la tâche. Cette technologie est capable de satisfaire une telle contrainte », a-t-il déclaré.

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

Perspectives futures

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

« Cet article démontre que des dispositifs électroniques actifs peuvent être fabriqués à l'aide de matériaux conducteurs polymères extrudés. Cette technologie permet d'intégrer l'électronique dans des structures imprimées en 3D. Une application intrigante est l'impression 3D à la demande de méchatronique à bord de vaisseaux spatiaux », a déclaré Roger Howe, professeur émérite d'ingénierie William E. Ayer à l'Université Stanford, qui n'a pas participé à ce travail.

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