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

Resumen

La electrónica de consumo es la principal causa del exceso de residuos electrónicos impulsando la necesidad de sistemas más sostenibles. Una forma de mitigar este problema es incorporando materiales ecológicos y biodegradables a la electrónica cotidiana. Esto se logra a través de un proceso de sustitución en el que cada capa, como el sustrato y las capas conductoras, dieléctricas y semiconductoras se abordan metodológicamente en términos de fabricación, materiales y caracterización eléctrica. Este proceso se inició por el sustrato donde se consideraron una amplia gama de materiales flexibles, desde polímeros naturales hasta sintéticos, muchos de los cuales presentaban bajas temperaturas de transición vítrea (< 100 °C). Esto hace que sean difíciles de procesar mediante técnicas de microfabricación convencionales que a menudo consumen energía y producen residuos peligrosos. La adopción de tecnologías de impresión como la impresión de inyección de tinta ofrecen una alternativa ecológica para fabricar componentes electrónicos, puesto que no existen restricciones de temperatura ni estructurales. Además permite la impresión directa sobre cualquier sustrato escogido utilizando tintas como las tintas de nanopartículas o de descomposición organometálica. Entre los diversos metales biodegradables existentes se eligieron el zinc (Zn) y el molibdeno (Mo) por sus elevadas conductividades. Sin embargo, al no estar disponibles comercialmente, se formularon estas tintas metálicas mediante pruebas iterativas de estabilidad de disolventes, reológicas y de impresión. Pero dado que estos metales tienden a presentar altas temperaturas de sinterización (> 400 °C), se investigaron técnicas alternativas de sinterización para ser compatibles con sustratos sensibles a la temperatura. En ambas tintas se aplicó el curado fotónico para aumentar sus respectivas conductividades. Esta tesis también introduce una nueva clase de tintas llamadas tintas de descomposición de sal metálica (MSD) que se redujeron mediante la sinterización de plasma de oxígeno y la sinterización química ligera. En el caso de la primera técnica, se probó una amplia gama de sales metálicas en función de su potencial de reducción con un enfoque particular en el oro (Au), el platino (Pt) y la plata (Ag). Cada una se redujo con éxito a sus respectivas formas elementales y se caracterizaron mostrando una buena conductividad. La versatilidad de estas tintas se demostró en sustratos no planares y no convencionales, como polímeros, papeles y textiles que formaron películas conformales independientemente de la rugosidad del sustrato. Las temperaturas de sinterización no superaron los 37 °C resultando en procesos de sinterización casi a temperatura ambiente. Sin embargo, esta técnica resultó superada por la segunda en la que se produjo un crecimiento de la película Au in situ depositada sobre un sustrato reductor como el PVA. El mecanismo de reducción dependía de dos factores como la reacción química entre la capacidad reductora de los grupos hidroxilo del PVA y la tinta de Au MSD de nanopartículas sintetizadas que junto a la luz contribuían al proceso de sinterización, desarrollando por tanto una película Au conectada y altamente conductora. Aunque el PVA podría utilizarse directamente por sus propiedades dieléctricas, esta capa se mejoró aún más mediante el desarrollo de un gel iónico basado en PVA combinado con un líquido biodegradable de iones choline-malate para facilitar el desarrollo de transistores con electrolito como puerta. Por último, se demostró una capa de semiconductor orgánico producida con TMTES-pentaceno y depositada con una técnica de menisco. Con ello, se demostró una amplia gama de aplicaciones en dispositivos electrónicos como pistas conductoras, electrodos, sensores de tensión, biosensores, antenas y transistores. Creemos que este trabajo tendrá implicaciones en el futuro de la electrónica impresa para aplicaciones portátiles, aplicaciones biomédicas y electrónica sostenible.

Fecha de lectura	11 dic 2023
Idioma original	Inglés
Supervisor	Carme Martinez Domingo (Director/a) & Eloi Ramon Garcia (Director/a)