Estudo de filmes nanoestruturados condutores e "self-healing" para aplicação em eletrônica flexível

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Gaál, Gabriel, 1992-
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/4913
Resumo: Orientador: Varlei Rodrigues
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spelling Estudo de filmes nanoestruturados condutores e "self-healing" para aplicação em eletrônica flexívelStudy of conductive and self-healing nanostructured films for application in flexible electronicsFilmes finos poliméricosAutomontagem camada por camadaMateriais de autocuraçãoBiossensoresTransdutores bioeletrônicosPolymeric thin filmsLayer-by-layer self-assemblySelf-healing materialsBiosensorsBioelectronic transducersOrientador: Varlei RodriguesTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb WataghinResumo: A engenharia controlada de materiais poliméricos permite o desenvolvimento de novas interfaces multifuncionais com propriedades únicas para diversas aplicações tecnológicas. Nesse sentido, a integração de propriedades de autorregeneração (self-healing) com condutividade elétrica permite o desenvolvimento e integração de dispositivos biomiméticos como peles eletrônicas, criando uma interface contínua entre materiais biológicos e eletrônicos. No presente trabalho, exploramos a integração de materiais híbridos a base de grafeno, polímeros condutores e materiais autorregenerativos visando o desenvolvimento futuro de tais interfaces. Para isso, utilizamos a técnica de automontagem por adsorção física (LbL, do inglês Layer-by-Layer) para nanoestruturação dos materiais estudados. A técnica LbL possibilita o desenvolvimento de arquiteturas moleculares distintas explorando as diferentes propriedades de materiais para criação de nanoestruturas multifuncionais com propriedades únicas. Na primeira parte do trabalho apresentamos a caracterização da matriz autorregenerativa de polietilenoimina (PEI) com poli(ácido acrílico) (PAA). Conseguimos associar os regimes de crescimento exponencial e linear da estrutura (PEI/PAA) com mudanças nas propriedades elétricas adquiridas após cada etapa de deposição do filme a partir de medidas elétricas DC tomadas in-situ durante a deposição. Demonstramos também o papel central da água aprisionada na estrutura do filme nas propriedades elétricas, mecânicas e morfológicas dos filmes (PEI/PAA). Em paralelo, juntamente com o Prof. Antônio Riul Júnior, estudamos as propriedades elétricas e mecânicas de filmes condutores e autorregenerativos a base de (PEI/PAA) dopados com com folhas de óxido de grafeno reduzidos (rGO, do inglês Reduced Graphene Oxide), poli(3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonado (PEDOT:PSS), Nanotubos de carbono (MWCNTs, do inglês Multi Walled Carbon Nanotubes) e nanobastões de ouro. Mostramos ainda que a inserção desses materiais não altera o poder de autorregeneração intrínseca dos filmes. Desenvolvemos ainda um dispositivo do tipo língua eletrônica que foi capaz de distinguir os cinco sabores básicos, além de distinguir diferentes níveis de glucose em amostras de suor artificial. Utilizamos tais filmes condutores e autorregenerativos para desenvolver um biossensor capaz de detectar os batimentos cardíacos ex-vivo de um peixe-zebra, com uma razão sinal-ruído de 30 dB. Verificamos também que filmes LbL compósitos de (PEI/PAA) dopados com rGO e PEDOT:PSS apresenta alta anisotropia. Observamos uma diferença de 5 ordens de grandeza na condutividade medida na direção planar em relação a direção interplanar, resultando na maior razão anisotrópica relatada até o momento na literatura para materiais dispostos em multicamadas. Exploramos esse alto valor de anisotropia elétrica em uma nova arquitetura de transistor, onde o filme LbL opera simultaneamente como a camada dielétrica e canal semicondutor do transistor, com o campo elétrico interplanar modulando a condução planar. Finalmente, utilizamos esses mesmos filmes para estudar o impacto do PEDOT:PSS e da água aprisionada na estruturas dos filmes compósitos nas suas propriedades de supercapacitor. Mostramos que a capacitância de filmes recém depositados depende da quantidade de PEDOT:PSS na estrutura do filme, porém, em filmes hidratados, a água aprisionada nos materiais domina a resposta elétrica dos dispositivosAbstract: The controlled engineering of polymeric materials allows the development of new multifunctional interfaces with unique properties for various technological applications. In this context, the integration of self-healing properties with electrical conductivity allows the development and integration of biomimetic devices such as electronic skins, creating a seamless interface between biological and electronic materials. In the present work, we explored the integration of graphene-based hybrid materials, conductive polymers and self-healing materials to develop these interfaces. These structures were layer-by-layer (LbL) assembled by physical adsorption. This LbL technique allows the development of distinct molecular architectures by exploring different properties of materials for the creation of multifunctional nanostructures having unique properties. In the first part of this work we present the characterization of the self-healing matrix composed by poly(iminoethylene) (PEI) and poly(acrylic acid) (PAA). We associate the exponential and linear growth regimes of (PEI/PAA) with changes in the electrical characteristics acquired after each step of the LbL film formation. We demonstrated the central role of trapped water on the electrical, mechanical and morphological properties of such films. At the same time, together with Prof. Antônio Riul Júnior, we studied the electrical and mechanical properties of conductive and self-healing films based on (PEI/PAA) doped with reduced graphene oxide (rGO) sheets, poly(3, 4-ethylenedioxythiophene) sulfonated polystyrene (PEDOT:PSS), Multi Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and gold nanorods. We showed that the insertion of these materials does not change the intrinsic self-healing ability of such materials. We then developed an electronic tongue device that was able to distinguish the five basic tastes, in addition to distinguishing different levels of glucose in samples of artificial sweat. We used such conductive and self-healing films to develop a biosensor capable of detecting the ex-vivo heartbeat of a zebrafish, with a signal-to-noise ratio of 30 dB. We also verified that composite LbL films of (PEI/PAA) doped with rGO and PEDOT:PSS show high electrical anisotropy. We observed an in-plane conductivity 5 orders of magnitude higher than the cross-plane value, resulting in the highest anisotropic ratio reported to date for multilayered materials. We explored such high anisotropic electrical behavior in a novel transistor architecture where the anisotropic film operates simultaneously as a dielectric layer and as transistor semiconductor channel, with the cross-plane electric field modulating the in-plane conduction. Finally, we used these same films to study the impact of PEDOT:PSS and water trapped in composite film structures on their supercapacitive properties. We showed that the capacitance of as prepared films depends on the amount of PEDOT:PSS in the film structure, however, in hydrated films, the water trapped in the materials, dominates the electrical response of the devicesDoutoradoFísica AplicadaDoutor em CiênciasCNPQ162320/2017-5FAPESP2017/19862-3[s.n.]Rodrigues, Varlei, 1973-Marques, Francisco das ChagasMazali, Italo OdoneSantos, Lucas FugikawaFaria, Gregório CoutoUniversidade Estadual de Campinas. Instituto de Física Gleb WataghinPrograma de Pós-Graduação em FísicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASGaál, Gabriel, 1992-20222022-04-29T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (147 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/4913GAÁL, Gabriel. Estudo de filmes nanoestruturados condutores e "self-healing" para aplicação em eletrônica flexível. 2022. 1 recurso online (147 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Física Gleb Wataghin, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/4913. Acesso em: 15 mai. 2024.https://repositorio.unicamp.br/acervo/detalhe/1245560Requisitos do sistema: Software para leitura de arquivo em PDFporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instname:Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)instacron:UNICAMPinfo:eu-repo/semantics/openAccess2022-07-21T16:33:10Zoai::1245560Biblioteca Digital de Teses e DissertaçõesPUBhttp://repositorio.unicamp.br/oai/tese/oai.aspsbubd@unicamp.bropendoar:2022-07-21T16:33:10Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP) - Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)false
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