Διεργασίες laser σε νανοϋλικά για εφαρμογές σε οργανικά ηλεκτρονικά

Abstract

This dissertation investigates the laser-matter interaction, focusing on the field of 2D materials such as graphene, graphene oxide and reduced graphene oxide. During the last decade, 2D materials have attracted significant research interest due to their unique mechanical and optoelectronic properties that make them suitable in a variety of applications that include organic transistors, chemical and biological sensors, as well as, applications relative to energy storage such as batteries and fuel cells. Within the frames of the present thesis, the laser processes that were studied are the laser printing of graphene, the laser printing and reduction of graphene oxide, while part of the study was the laser printing and laser sintering of metallic nanoparticle inks. The aforementioned processes were used for the development of resistive chemical sensors, targeting the incorporation of lasers into organic electronics applications. The first part focuses on providing a literature review of the basic characteristics of graphene and its derivatives as well as a brief introduction in graphene-based sensors. Following, the main technique that was studied in this study, which is the laser printing technique “LIFT” (Laser Induced Forward Transfer) is being described, while additional laser processes that may be used complementary to LIFT, such as the sintering of nanoparticles is presented. The second part of the present dissertation focuses on the experimental investigation of the laser printing of graphene on conventional silicon/silicon oxide substrates and flexible polymeric substrates as well, for the fabrication of conductive patterns. Furthermore, the mechanism for the laser printing of graphene oxide through high-speed imaging is presented, while the development of a device aiming to study the laser sintering mechanism of metallic nanoparticle inks is provided. The study evolves with the laser printing of graphene oxide and the reduction approaches that were investigated, including thermal and irradiation routes, in a process in which the simultaneous printing and reduction of graphene oxide was achieved. The dissertation concludes with the presentation of the resistive chemical sensors that were developed and the comparison between their performance and characteristics on silicon and polymeric substrates, discussing also the future goals and experiments that derive through the outcome of the present study.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την αλληλεπίδραση των λέϊζερ με την ύλη, εστιάζοντας στα διδιάστατα υλικά όπως το γραφένιο, το οξείδιο του γραφενίου και το ανηγμένο οξείδιο του γραφενίου. Τα τελευταία χρόνια τα διδιάστατα υλικά έχουν προσελκύσει το ερευνητικό ενδιαφέρον εξαιτίας των ιδιαίτερων φυσικών και οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων τους, που τα καθιστούν χρήσιμα σε μία πληθώρα εφαρμογών όπως τα οργανικά τρανζίστορ, οι χημικοί και βιολογικοί αισθητήρες καθώς και εφαρμογές σχετικές με την αποθήκευση ενέργειας, όπως οι μπαταρίες και οι κυψέλες καυσίμων. Στα πλαίσια της παρούσας έρευνας, οι διεργασίες με λέϊζερ που μελετήθηκαν αφορούν στην εκτύπωση του γραφενίου και του οξειδίου του γραφενίου καθώς και στην αναγωγή του οξειδίου του γραφενίου, ενώ μέρος της μελέτης επικεντρώθηκε στην εκτύπωση και πυροσυσσωμάτωση μεταλλικών μελανιών νανοσωματιδίων. Το σύνολο των διεργασιών που προαναφέρθηκαν χρησιμοποιήθηκαν για την ανάπτυξη χημικών αισθητήρων αντίστασης, στοχεύοντας στην εισαγωγή των λέϊζερ στις εφαρμογές των οργανικών ηλεκτρονικών. Στο πρώτο μέρος, η μελέτη εστιάζει στην βιβλιογραφική ανασκόπηση των βασικών χαρακτηριστικών και των μέθοδων σύνθεσης του γραφενίου και των παραγώγων του καθώς και μία περιγραφή σε χημικούς αισθητήρες με βάση το γραφένιο. Ακολούθως, περιγράφεται η βασική μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διατριβή, η οποία είναι η τεχνική πρόσθιας εκτύπωσης υλικών με λέϊζερ (Laser Induced Forward Transfer, LIFT). Παράλληλα, πραγματοποιείται και μία αναφορά σε διεργασίες με λέϊζερ οι οποίες δύναται να δράσουν συμπληρωματικά με την τεχνική εκτύπωσης, όπως η πυροσυσσωμάτωση νανοσωματιδίων και η αναγωγή του οξειδίου του γραφενίου μέσω ακτινοβόλησης. Το δεύτερο μέρος της διατριβής, επικεντρώνεται στην πειραματική μελέτη της εκτύπωσης του γραφενίου σε συμβατικά υποστρώματα πυριτίου/οξειδίου του πυριτίου καθώς και σε εύκαμπτα πολυμερικά υποστρώματα, με χρήση σε εφαρμογές ανάπτυξης αγώγιμων επαφών. Ακολούθως, περιγράφεται ο μηχανισμός εκτύπωσης διαλύματος οξειδίου του γραφενίου και η πειραματική ανάπτυξη της διάταξης μετρολογίας της πυροσυσσωμάτωσης μεταλλικών μελανιών νανοσωματιδίων. Εν συνεχεία, παρουσιάζεται η μελέτη της εκτύπωσης του οξειδίου του γραφενίου και περιγράφονται αναλυτικά οι αναγωγικές προσεγγίσεις που διερευνήθηκαν και οι οποίες περιλαμβάνουν: i) τη θέρμανση των εκτυπωμένων δομών και ii) την ακτινοβόλησή τους με λέϊζερ σε μία διεργασία μέσω της οποίας επετεύχθη η ταυτόχρονη εκτύπωση και αναγωγή των δομών οξειδίου του γραφενίου. Η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με την παρουσίαση και τη συγκριτική μελέτη λειτουργίας των χημικών αισθητήρων αντίστασης που αναπτύχθηκαν τόσο σε υποστρώματα πυριτίου όσο και σε πολυμερικά υποστρώματα όπως το πολυϊμίδιο, καθώς και με την περιγραφή των μελλοντικών στόχων και πειραμάτων που απορρέουν από την παρούσα μελέτη.