Development of functional inks and printed devices for transient and eco-friendly electronics

Resum

L'electrònica de consum és la principal causa de l'excés de residus electrònics que impulsa la necessitat de sistemes més sostenibles. Una manera de mitigar aquest problema és incorporant materials ecològics i biodegradables a l'electrònica quotidiana. Això s'aconsegueix a través d'un procés de substitució on cada capa, com ara el substrat i les capes conductores, dielèctriques i semiconductores s'aborden metodològicament en termes de fabricació, materials i caracterització elèctrica. Aquest procés es va iniciar pel substrat on es van considerar una àmplia gamma de materials flexibles, des de polímers naturals fins a sintètics, molts dels quals presentaven temperatures de transició vítria baixes (< 100 °C). Això fa que siguin difícils de processar mitjançant tècniques de microfabricació convencionals que sovint consumeixen energia i produeixen residus perillosos. L'adopció de tecnologies d'impressió com la impressió d'injecció de tinta ofereixen una alternativa ecològica per fabricar components electrònics, ja que no hi ha restriccions de temperatura ni estructurals. A més, permet la impressió directa sobre qualsevol substrat escollit utilitzant tintes com les tintes de nanopartícules o de descomposició organo-metàl·lica. Entre els diversos metalls biodegradables existents es van triar el zinc (Zn) i el molibdè (Mo) per les seves conductivitats elevades. Tanmateix, com que no estan disponibles comercialment, es van formular aquestes tintes metàl·liques mitjançant proves iteratives d'estabilitat de dissolvents, reològiques i d'impressió. Però com que aquests metalls tendeixen a presentar altes temperatures de sinterització (> 400 °C), es van investigar tècniques alternatives de sinterització per ser compatibles amb substrats sensibles a la temperatura. En ambdues tintes es va aplicar el curat fotònic per augmentar les seves respectives conductivitats. Aquesta tesi també introdueix una nova classe de tintes anomenades tintes de descomposició de sal metàl·lica (MSD) que es van reduir mitjançant la sinterització de plasma d'oxigen i la sinterització química lleugera. En el cas de la primera tècnica, es va provar una àmplia gamma de sals metàl·liques en funció del seu potencial de reducció amb un enfocament particular en l'or (Au), el platí (Pt) i la plata (Ag). Cadascuna es va reduir amb èxit a les seves respectives formes elementals i es van caracteritzar mostrant una bona conductivitat. La versatilitat d'aquestes tintes es va demostrar en substrats no planars i no convencionals, com ara polímers, papers i tèxtils que van formar pel·lícules conformals independentment de la rugositat del substrat. Les temperatures de sinterització no van superar els 37 °C resultant en processos de sinterització gairebé a temperatura ambient. No obstant això, aquesta tècnica va resultar superada per la segona on es va produir un creixement de la pel·lícula Au in situ dipositada sobre un substrat reductor com el PVA. El mecanisme de reducció depenia de dos factors com la reacció química entre la capacitat reductora dels grups hidroxil del PVA i la tinta d'Au MSD de nanopartícules sintetitzades que junt amb la llum contribuïen al procés de sinterització, desenvolupant per tant una pel·lícula Au connectada i altament conductora. Tot i que el PVA es podria utilitzar directament per les seves propietats dielèctriques, aquesta capa es va millorar encara més mitjançant el desenvolupament d'un gel iònic basat en PVA combinat amb un líquid biodegradable d'ions choline-malate per facilitar el desenvolupament de transistors amb electròlit com a porta. Finalment, es va demostrar una capa de semiconductor orgànic produïda amb TMTES-pentacè i dipositada amb una tècnica de menisc. Amb això, es va demostrar una àmplia gamma d'aplicacions en dispositius electrònics com pistes conductores, elèctrodes, sensors de tensió, biosensors, antenes i transistors. Creiem que aquest treball tindrà implicacions en el futur de l'electrònica impresa per a aplicacions portàtils, aplicacions biomèdiques i electrònica sostenible.

Data del Ajut	11 de des. 2023
Idioma original	Anglès
Supervisor	Carme Martinez Domingo (Director/a) & Eloi Ramon Garcia (Director/a)