Forschung: Transistoren aus dem 3D-Drucker
In einem Artikel über ein Start-up hatten wir uns einen 3D-Drucker für die Halbleiterfertigung ausgemalt. Was ironisch gemeint war, ist Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) tatsächlich gelungen(öffnet im neuen Fenster) : Mit einem besonderen Filament konnten sie Schaltungen herstellen, die wie ein Transistor einen abrupten Sprung ihres Widerstands aufweisen.
Entdeckt haben sie den Effekt durch Zufall: Eigentlich wollten sie Spulen 3D-drucken, wofür sie ein mit Kupfernanopartikeln gefülltes PLA-Filament verwendeten. Allerdings stellten sie fest, dass ab einem bestimmten Strom der Widerstand ihrer Spulen stark anstieg. Bei Spulen ist das zwar unerwünscht, doch Transistoren weisen ein ähnliches Verhalten auf – mit dem sich die mittlerweile allgegenwärtigen Logikschaltungen aufbauen lassen.
Die Forscher untersuchten den Effekt weiter und kamen zum Schluss, dass er auf eine Erwärmung des Materials zurückzuführen sein dürfte. Eine temperaturabhängige Änderung der Leitfähigkeit ist, wie die Forscher in einer Veröffentlichung(öffnet im neuen Fenster) schreiben, für Polymere bekannt – allerdings nicht in dem von ihnen beobachteten Ausmaß: Von um die 20 Ω sprang der Widerstand auf rund 10 kΩ.
Die Forscher vermuten, dass der Grund für die Änderung des Widerstands im Übergang des PLA vom kristallinen in einen amorphen Zustand liegt. In Letzterem ist das Trägermaterial weich, was von den Kupferpartikeln gebildete, leitende Pfade trennen könnte. Kristallisiert der Polymer wieder aus, würden auch die Partikel neue Leiter formen. Mit anderen Füllmaterialien wie Kohlenstoffnanoröhren ließ sich der Effekt allerdings nicht reproduzieren.
Schaltfrequenz: Einge Millihertz
Ein Blick in die Veröffentlichung führt jedoch schnell zu – nicht ganz unerwarteter – Ernüchterung: Da die gedruckten Transistoren auf einem thermischen Effekt beruhen, haben sie extrem lange Schaltzeiten.
Dabei geht das Einschalten mittels Heizstrom noch relativ schnell, mit einem Strom von 100 mA dauert es, je nach Volumen des Leiters, wenige Sekunden. Das Abschalten hingegen dauert rund 40 Sekunden, die Abbildungen zeigen einen Testzyklus mit einer Dauer von 80 Sekunden – was einer Frequenz von 12,5 Millihertz entspricht.
Hier steigt zudem der Widerstand im ungeschalteten, also abgekühlten Zustand bereits nach wenigen Zyklen deutlich an: Liegt er anfangs zwischen 15 und 30 Ω, pendelt er sich bereits nach etwa 50 Zyklen bei zwischen 1 und 2 kΩ ein. Mit längeren Abkühlzeiten sinkt der Widerstand zwar weiter, bleibt aber mit zwischen 100 und 200 Ω dauerhaft erhöht.
In der Veröffentlichung zeigen die Forscher noch einige praktisch nutzbare Schaltungen: neben einer Geschwindigkeitssteuerung für einen Elektromotor ein Nicht-, Oder- sowie Und-Gatter. Damit ließen sich zumindest theoretisch sogar Prozessoren drucken. Ob sich ein praktischer Einsatzzweck für die 3D-gedruckten Schalter findet, ist aber unsicher. Die langen Schaltzeiten machen sie für viele Anwendungen uninteressant. Daran dürfte sich auch nicht groß etwas ändern, da die Strukturen nicht beliebig klein gedruckt werden können.