Desenvolvimento de transístores para a eletrônica impressa

Abstract

Nesta tese de doutorado são apresentados resultados a respeito da fabricação e caracterização de dois tipos de transístores com eletrólito no gate (EGTs, do inglês Electrolyte Gated Transistors): Transístores eletroquímicos orgânicos (OECTs, do inglês Organic Electrochemical Transistors) e transístores de dupla camada elétrica (EDLTs, do inglês Electric Double Layer Transistor). Os dispositivos foram produzidos utilizando inkjet printing e screen printing para imprimir soluções à base de polímeros como o poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), precursores de óxido de zinco e de nanopartículas de óxido zinco. Como eletrólito de gate foram utilizadas faixas auto sustentáveis de íon gel à base de celulose. Esse último foi desenvolvido por pesquisadores do CEMOP/CENIMAT e combina a alta mobilidade iônica dos eletrólitos líquidos com a plasticidade dos eletrólitos sólidos. Sua estrutura em gel possibilita que o material seja moldado ou cortado de acordo com a aplicação. Os ECTs foram fabricados em arquitetura planar sobre substrato de vidro ou de papel, onde foram impressos: PEDOT:PSS como semicondutor e carbono como eletrodos. Os resultados mostram uma forte dependência de parâmetros como: corrente no estado ligado (Ion), no estado desligado (Ioff), transcondutância, razão Ion/Ioff, morfologia da superfície do substrato e a rugosidade. Os EDLTs foram fabricados usando síntese de auto combustão e foto-ativação química para produzir dispositivos com baixa temperatura de processamento de modo que pudesse ser utilizado substratos flexíveis, plásticos ou de papel. Estes dispositivos são baseados em nanopartículas de óxido de zinco como canal semicondutor, totalmente impressos e com tratamento térmico menores que 200 oC. Os resultados mostram que a combinações das técnicas contribuíram para a formação dos filmes e para degradação dos resíduos orgânicos. A fabricação de EDLTs em arquitetura planar à 150 °C sob irradiação UV por 30 min possibilitou excelentes características elétricas tais como: razão Ion/Ioff, mobilidade de saturação média de 7,0 cm2/V, tensão limiar de 0,81V e tensão sublimiar de 0,42 V.dec-1. Foram impressos EDLTs planares a base de ZnONPs/Eletrólito em um curto tempo de processamento próximo de 45 minutos, sendo compatíveis com aplicações eletrônicas flexíveis.

On this doctoral thesis is presented results of the manufacture and characterization of two types of Electrolyte-gated Transistors (EGTs): Organic Electrochemical Transistors (OECTs) and electric double-layer transistors (EDLTs). Devices were manufactured using inkjet printing and screen printing to print solutions based on polymers such as poly (3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS), zinc oxide precursors and zinc oxide nanoparticles. Self-sustainable bands of cellulose-based ion gel were used as gate electrolyte. The last was developed by researchers from CEMOP/CENIMAT and combines the high ion mobility of liquid electrolytes with the plasticity of solid electrolytes. This gel structure allows this material to be shaped or cut according to the application. The ECTs were manufactured in planar architecture over glass or paper substrates, where they were printed: PEDOT: PSS as semiconductor and carbon as electrodes. The results presents a strong dependence on parameters such as: on-state current (Ion), off-state current (Ioff), transconductance, Ion/Ioff ratio, surface morphology of the substrate and roughness. The EDLTs were manufactured using auto-combustion synthesis and chemical photo-activation process to produce devices with low processing temperatures in a way to be used in flexible, plastic or paper substrates. These devices are based on nanoparticles of zinc oxide as a semiconductor channel, fully printed and with heat treatment below 200 oC. The results presents that the combinations of different techniques contributed to the formation of films and organic residue degradation. The manufacture of EDLTs in planar architecture at 150 ° C under UV irradiation for 30 min enabled excellent electrical characteristics such as: Ion/Ioff ratio, average saturation mobility of 7.0 cm2/V, threshold voltage of 0.81 V and subthreshold voltage 0.42 V.dec-1. Planar EDLTs were printed based on ZnONPs/Electrolyte in a short processing time close to 45 minutes, being compatible with flexible electronic applications.