Des chercheurs du MIT réalisent une percée dans le domaine de l’électronique active entièrement imprimée en 3D

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

L'électronique active (les composants capables de contrôler les signaux électriques) contient généralement des dispositifs à semi-conducteurs qui reçoivent, stockent et traitent les 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, le manque d’installations de fabrication de semi-conducteurs à grande échelle 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 appareil électronique actif complet sans avoir besoin de semi-conducteurs pourrait amener la fabrication électronique aux entreprises, aux laboratoires et aux foyers du monde entier.

Bien que cette idée soit encore loin, les chercheurs du MIT ont fait un pas important dans cette direction en démontrant des fusibles réarmables entièrement imprimés en 3D, qui sont des composants clés de l'électronique active qui nécessite généralement des semi-conducteurs.

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

Bien qu'ils soient encore loin d'atteindre les performances des transistors semi-conducteurs, 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 véritables atouts. Même si nous ne pouvons 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 vers un territoire inexploré. 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", a déclaré Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d'un article décrivant le devices, qui apparaît dans Prototypage virtuel et physique. Il est rejoint dans l'article par l'auteur principal Jorge Cañada, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique.

Les semi-conducteurs, dont 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 manière dont il est conçu. Ces propriétés rendent le silicium idéal pour produire des transistors, qui constituent un élément de base de l’électronique moderne. Cependant, les chercheurs n’ont pas eu pour objectif d’imprimer en 3D des dispositifs sans semi-conducteurs qui pourraient se comporter comme des transistors à base de silicium.

Ce projet est né d'un autre dans lequel ils fabriquaient des bobines magnétiques par impression par extrusion, un processus dans lequel l'imprimante fait fondre le filament et projette 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 polymère dopé avec des nanoparticules de cuivre. S'ils transmettaient une grande quantité de courant électrique dans le matériau, celui-ci présenterait un énorme pic de résistance mais reviendrait à son niveau d'origine peu de temps après l'arrêt du flux de courant.

Cette propriété permet aux ingénieurs de fabriquer des transistors pouvant fonctionner comme des commutateurs, 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 les données binaires, sont utilisés pour former des portes logiques qui effectuent le calcul.

Les chercheurs ont tenté de reproduire le même phénomène avec d’autres filaments d’impression 3D, en testant des polymères dopés au carbone, aux nanotubes de carbone et au graphène. En fin de compte, ils n'ont pas pu trouver un autre matériau imprimable pouvant fonctionner comme un fusible réarmable.

Ils émettent l’hypothèse que les particules de cuivre présentes dans le matériau se propagent lorsqu’il est chauffé par le courant électrique, ce qui provoque une pointe 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 cristalline à amorphe lorsqu'elle est chauffée, puis redevient cristalline lorsqu'elle est refroidie — un phénomène connu sous le nom de coefficient de température positif du polymère.

"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 ne fait aucun doute que ce phénomène est réel", a-t-il déclaré.

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

Bien que les dispositifs ne fonctionnent pas aussi bien 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 sous et hors tension d'un moteur. Leurs expériences ont montré que, même après 4 000 cycles de commutation, les appareils ne présentaient aucun signe de détérioration.

Mais il y a des limites à la taille des changements que les chercheurs peuvent effectuer, en fonction de la physique de l’impression par extrusion et des propriétés du matériau. Ils pouvaient 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 vous importe, c'est de savoir si votre appareil peut accomplir la tâche. Cette technologie est capable de satisfaire une contrainte comme celle-là", a-t-il déclaré.

Cependant, contrairement à la fabrication des semi-conducteurs, leur technique utilise un matériau biodégradable, le processus utilise 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.

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 pouvoir construire des circuits plus complexes et voir jusqu'où ils peuvent pousser les performances de ces appareils.

"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 intéressante est l'impression 3D à la demande de mécatroniques à bord d'engins spatiaux", a déclaré Roger Howe, professeur émérite d'ingénierie William E. Ayer à l'Université de Stanford, qui n'a pas participé à ce travail.

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