Integrating van der Waals materials-based devices on paper for electronics and optoelectronics

Resumen

Los productos electrónicos inteligentes, cada vez más omnipresentes, nos hacen la vida cada vez más cómoda. Sin embargo, el uso masivo de dispositivos electrónicos ha generado una gran cantidad de residuos electrónicos tóxicos y difíciles de reciclar (E-waste). Cada año se invierten enormes esfuerzos y recursos económicos para aliviar la carga medioambiental que suponen estos residuos electrónicos. El problema de los residuos electrónicos se debe principalmente a los sustratos de polímeros sintéticos, que consumen constantemente recursos no renovables y son difíciles de biodegradar, lo que limita su uso a largo plazo en la electrónica flexible. Se prevé que el papel pueda jugar un importante rol como material para sustrato en la electrónica flexible de bajo coste y respetuosa con el medio ambiente, debido a su buena flexibilidad, la disponibilidad de materia prima para su obtención y su biodegradabilidad. El papel está formado por fibras de celulosa entrelazadas con una gran rugosidad y porosidad superficial. Estas características propias del papel favorecen la estrecha adhesión de los materiales activos en su superficie para mejorar el rendimiento del dispositivo, pero lo hacen incompatible con los procesos de fabricación microelectrónica convencional. Por lo tanto, hay una necesidad urgente de desarrollar los dispositivos basados en papel con enfoques de preparación más eficientes y específicamente adaptados al papel de celulosa, que es el objetivo de esta tesis. En el capítulo 3 se presenta en detalle una estrategia de deposición inducida por abrasión para la preparación rápida y sin disolventes de películas de van der Waals (vdW) sobre el sustrato de papel. En primer lugar, demostramos cómo se preparan las películas continuas y compactas utilizando dicha estrategia de deposición, capaz de depositar muchos materiales vdW diferentes y de proporcionar patrones elaborados con un tamaño de rasgo de 200 μm. Las fuerzas de fricción generadas durante la abrasión pudieron romper las débiles uniones de vdW entre las capas, dando lugar a la formación de una película densa formada por una retícula de láminas interconectadas. A continuación, se caracterizan las propiedades ópticas de las películas de vdW preparadas sobre papel midiendo sus espectros de transmitancia. Se utiliza también el método de la longitud de transferencia para evaluar las propiedades eléctricas de las películas de material vdW, y se realiza un compendio de los valores de resistividad de numerosos materiales. Basándonos en los resultados, las películas resultantes muestran excelentes cualidades ópticas y propiedades eléctricas, ilustramos sus prometedoras aplicaciones en filtros ópticos y dispositivos de efecto de campo. Esta estrategia de deposición facilita la preparación de dispositivos electrónicos de bajo coste y desechables basados en papel. En el capítulo 4 se ilustra la fabricación de una galga extensiométrica basada en papel con las películas de WS2 depositadas por abrasión como materiales sensores de tensión. La resistencia del dispositivo preparado de WS2 sobre papel depende en gran medida de la deformación uniaxial, mostrando una alta sensibilidad con factores de calibre de hasta ~70. Esto se atribuye al comportamiento de deslizamiento de los copos unidos por fuerzas vdW bajo deformaciones variables en las que las escamas de WS2 sufren diferentes grados de solapamiento o agrietamiento, provocando así variaciones en la distancia de transporte de los electrones. Esta galga extensométrica de WS2 de alta sensibilidad puede aplicarse no sólo para detectar masa/fuerza con una sensibilidad de masa de ~160 Ω/mg, sino también para transducir dinámicamente el movimiento de un resonador mecánico con un tiempo de respuesta inferior a 0,5 ms. Además de su uso en dispositivos electrónicos, las películas vdW depositadas por abrasión presentan impresionantes aplicaciones en dispositivos optoelectrónicos. El capítulo 5 muestra un fotodetector semiconductor de banda ancha fabricado sobre papel, utilizando la película WS2 como canal fotosensible. El fotodetector de WS2 sobre papel muestra una amplia respuesta espectral que va desde los 365 nm (UV) hasta los 940 nm (NIR) y una alta fotorresponsabilidad de ~ 270 mA W−1 a 35 V de polarización. Además, se investigan los efectos de otros posibles factores, como la atmósfera ambiental y la temperatura, sobre la corriente fotogenerada y la correspondiente fotorresponsividad. Gracias a estas buenas propiedades, el fotodetector de WS2 sobre papel podría servir como elemento de detección óptica para la aplicación del espectrómetro. El grosor de un material vdW estratificado es uno de los parámetros fundamentales. A medida que el espesor disminuye, los materiales presentan una variedad de propiedades físicas y químicas novedosas. La determinación conveniente y no destructiva del espesor de los materiales facilitará el establecimiento de una evaluación normalizada sin comprometer sus propiedades intrínsecas, por lo que incluyo el trabajo del Apéndice 1 en mi tesis. En este apéndice, demuestro varios métodos para determinar el grosor de las láminas finas mediante microscopía óptica, donde se utilizan como objeto láminas de GaSe exfoliadas mecánicamente.